Измерители крутящего момента

Измерителем крутящего момента (ИКМ) называется устрой­ство, обычно включаемое в конструкцию редуктора ТВД и обес­печивающее измерение величины крутящего момента, переда­ваемого редуктором на воздушный винт. В ТВД, особенно работающих при постоянных оборотах на всех режимах, по замеренной величине крутящего момента мож­но не только определить мощность двигателя, но и судить о ре­жиме его работы и обеспечивать наиболее полное использование технических возможностей данного двигателя в процессе его эксплуатации.

Знание величины крутящего момента позволяет исключить перегрузку двигателя и редуктора при взлете и в полете на ма­лых высотах с большими скоростями. Это особенно важно для высотных ТВД с ограничением мощности по прочности редук­тора. Используя ИКМ, можно поддерживать работу двигателя на экономичном режиме в соответствии с его высотно-скоростными характеристиками и обеспечивать своевременное флюгирование винта при аварии или выключении двигателя в полёте из-за па­дения тяги ниже установленного аварийного значения.

Работа ИКМ основана или на принципе измерения величины реакции от зацепления шестерен, или на принципе измерения уг­ла закрутки на каком-либо участке одного из валов редуктора двигателя.

Так, в планетарном редукторе с цилиндрическими шестерня­ми применяется ИКМ рычажного типа с проточными гидравлическими датчика­ми (рис.8.20).

Рис.8.20. Схема рычажного ИКМ с гидравлическими датчи­ками, установленными между корпусом и венцом непод­вижной шестерни планетарного редуктора: 1 — неподвижная центральная шестерня; 2 — поршни; 3 — цилиндры; 4 — маслонасос; 5 – манометр; 6 — отверстия для слива масла

В этом ИКМ крутящий момент М_кр, действующий на зубчатый венец центральной неподвижной шестерни внутрен­него зацепления редуктора, уравновешивается моментом от сил давления масла на поршни 2 гидравлических датчиков. Масло в полости над поршнями гидравлических датчиков подводится от специального нагнетающего маслонасоса ИКМ 4.

В случае увеличения крутящего момента возрастают нагруз­ки на поршни гидравлических датчиков со стороны рычагов не­подвижной шестерни 1, вызывая перемещение поршней 2, при­крытие сливных отверстий 6 и повышение давления масла в по­лостях над поршнями.

Перемещение поршней и увеличение давления в надпоршневых полостях будет происходить до тех пор, пока нагрузки на поршни со стороны масла не уравновесятся усилиями со сторо­ны шестерни. Увеличенному крутящему моменту будут соответствовать новые равновесные положения поршней и повышенное давление масла в надпоршневых полостях.

В этой схеме давление масла в надпоршневых полостях датчиков ИКМ пропорционально передаваемому крутящему моменту:

 

(8.18)

 

В случае, постоянных оборотов на всех рабочих режимах мощность, передаваемая на винт, также пропорциональна дав­лению масла в датчиках ИКМ:

 

(8.19)

 

Давление масла в датчиках ИКМ измеряется манометром или каким-либо другим прибором, указатель которого установлен в кабине экипажа самолета. Шкала указателя давления градуируется в единицах измерения крутящего момента (Н ·м) или непосредственно в единицах измерения мощности (квт), если число оборотов на всех рабочих режимах поддерживается по­стоянным.

В существующих конструкциях число гидравлических дат­чиков колеблется от двух до восьми. Чем меньше число датчиков, тем больше потребный диаметр их поршней и потребное рабочее давление масла.

В замкнутом дифференциальном редукторе для привода оди­ночного винта гидравлические датчики ИКМ поставлены в каче­стве связи корпуса промежуточных шестерен в звене замыкания (корпуса перебора) с корпусом редуктора (рис.8.21).

Под дей­ствием крутящего момента, воспринимаемого корпусом перебо­ра, возникает сила P, стремящаяся переместить цилиндры 3, за­крепленные на корпусе перебора, навстречу поршням 2, закреп­ленным на корпусе редуктора.

Величина этой силы равна

 

(8.20)

где M_kp — крутящий момент, передаваемый корпусом перебора на корпус редуктора; Р — сила, приходящаяся на один датчик; n — число датчиков.

При перемещении цилиндров навстречу поршням поршневое кольцо перекрывает канавку 4 и сброс масла из полости А уменьшается. Давление масла, подводимого от насоса 1 ИКМ, повышается до тех пор, пока сила Р не уравновесится давлением масла в полости А.

 

 

Рис.8.21. Схема ИКМ с гидравлическими датчиками, установленными между корпусом редуктора и корпусом перебора звена замыкания диф­ференциального замкнутого редуктора для привода одиночного винта: 1 — маслонасос; 2 — поршень; 3—цилиндр; 4 — канавка; 5 — кольцо, ограничи­вающее ход поршня; 6 – датчики

 

Для обеспечения падежной работы редуктора при отсутствии давления масла или при резком уменьшении крутящего момента в датчике ИКМ устанавливается ограничитель перемещения поршня в виде упорного разжимного кольца 5.

В рассмотренных схемах ИКМ датчики одновременно служат гидравлическими демпферами крутильных колебаний системы винт — редуктор — ротор двигателя и способствуют бо­лее равномерному распределению нагрузки в зацеплениях зубь­ев шестерен и по осям сателлитов.

Датчик гидравлического типа можно использовать и в ИКМ редуктора с планетарной передачей (рис.8.22).

Для этого, на внешней цилиндрической поверхности неподвижной шестерни 4 выполняются косые шлицы 3 которыми, она свободно входит в шлицевой промежуточный венец, жестко закрепленный в корпу­се редуктора 8 (рис.8.22).

 

Рис.8.22. Схема ИКМ с гидравлическими датчиками для планетарного редуктора: 1- поршень; 2- ведущая шестерня; 3- косые шлицы; 4- неподвижная шестерня; 5- канал подвода масла; 6- канал слива масла; 7- регулировочный канал; 8 – корпус

 

При передаче крутящего момента от ведущей шестерни 2 на шестерню 4 зубчатой передачей в шлицевом соединении 3 возникает осевая сила P _а, которая перемещает шестерню в осевом направлении перекрывает канал 7 давление в полости А, над поршнем 1, повышается уравновешивая осевую силу Р _а. Величина осевой силы

 

(8.21)

относительно мала, что позволяет уменьшить размеры поршней датчиков или их число, или же снизить давление масла в систе­ме ИКМ.

К недостаткам такого ИКМ относится, заметное отрицатель­ное влияние сил трения в шлицах при осевом перемещении на точность измерения крутящего момента.

Гидравлический датчик проточного типа используется также в ИКМ с шариковой муфтой, связывающей неподвижную шестер­ню с корпусом редуктора (рис.8.23).

ИКМ данного типа крутящий момент с неподвижной шестерни редуктора передается на шари­ки 4, расположенные в конических лунках. При этом от окруж­ных усилий Р_и возникают нормальные силы, перемещающие поршень 2 вправо. Перемещаясь, поршень перекрывает отверстие слива 7, и рабочее давление в полости над поршнем, уравнове­шивающее осевую силу, растет пропорционально росту осевого усилия, а следовательно, и крутящего момента.В процессе работы возможен наклеп и износ поверхностей, соприкасающихся с шариком, и, какследствие, изменение тарировочной характеристики ИКМ.

Рис.8.23. Схема ИКМ с шариковой муфтой и гидравлическим датчиком: 1- неподвижная шестерня; 2- поршень; 3 - цилиндр; 4 - шарик в ко­нической лунке; 5 – маслонасос; 6 - манометр; 7 – отверстие для слива масла

 

Если в редукторе отсутствуют неподвижные шестерни или какое-либо другое неподвижное звено как, например, в диффе­ренциальном редукторе для привода двух соосных винтов (рис. 8.12), то рассмотренные датчики ИКМ использовать не­возможно. В таких редукторах используется принцип измерения крутящего момента, основанный на измерении угла закрутки на каком-либо участке одного из валов редуктора, т.е. с по­мощью так называемых торсионных ИКМ. Связь между углом закрутки φ на участке вала длиной l и крутящим моментам М_кр следующая:

(8.22)

где G — модуль сдвига материала вала; J_p — полярный момент инерции сечения вала.

Торсионные ИКМ бывают трех типов:

гидравлические - деформация от кручения вала, используется для дросселирования отверстия слива масла из полости высокого давления датчика;

электромеханические - деформация от кручения вала, пре­образуется в осевые перемещения механизма следящей системы, с регистрацией их индуктивным датчиком линейных перемещений;

электрические - измерение величины крутящего момента осуществляется путем замера малых перемещений, выз­ванных закруткой вала.

В гидравлическом торсионном ИКМ (рис.8.24), так же как в ИКМ рассмотренных ранее схем, для измерения крутящего мо­мента используется гидравлическая система.

 

Рис.8.24. Схема гидравлического торсионного ИКМ: 1— ведущая шестерня; 2 — корпус ИКМ; 3, 6 — штифты; 4 — валик; 5 — переходная муфта; 7 — подшипник; 8 — втулка с лопастями; 9 — щель для отвода масла

 

В ведущей шестерне 1, выполненной за одно целое с ведущим валом-рессорой, помещен корпус ИКМ 2, который, фиксируется в ней в окружном направлении штифтами, а в осевом направле­нии — разжимным кольцом.

В заднем конце ведущего вала-рессоры с помощью муфты 5 и радиальных штифтов 6 закреплен валик 4, на переднем конце которого закреплена втулка 8 с двумя радиальными лопастями.

Лопасти располагаются в прорезях корпуса 2. Валик 4 центри­руется относительно ведущего вала шариковыми подшипниками 7.

Под действием передаваемого крутящего момента ведущий вал-рессора закручивается относительно валика 4, вследствие чего между лопастями втулки 8 и выступами корпуса ИКМ уста­навливается соответствующий зазор 9, величина которого определяет расход масла и давление его в полости подвода Б. Давле­ние масла, пропорциональное передаваемому крутящему момен­ту, замеряется манометром ИКМ.

Чтобы исключить влияние на показания ИКМ утечек масла в магистралях от насоса до ИКМ, а также изменения температуры масла и производительности насоса при изменении давления, на входе в ИКМ устанавливается специальный регулятор пода­чи масла (на схеме не показан).

На рис. 8.25 приведена схема ИКМ торсионного типа, в которой крутящий момент определяется при помощи электромеханической следящей системы.

На ведущем валу 1 на шлицах установлена втулка 2, причём шлицы 8 прямые, а шлицы 9 винтовые. При закрутке вала от передаваемого крутящего момента в винтовых шлицах, возникает осевая сила, которая перемешает в осевом направлении втулку 2. осевое перемещение втулки 2 через подшипник 3 передается на электромеханическую систему, состоящую из траверсы 4 пружины 6, направляющей 5 и электромагнитного датчика перемещений 7.

Однако электромеханические и электрические ИКМ требуют приме­нения сложной измерительной и регистрирующей аппаратуры (датчиков, усилителей, токосъемников и др.) сложны в доводке и в конструктивном оформлении и пока широкого применения не получили.

 

Рис.8.25. Схема ИКМ торсионного типа с электрической следящей системой: 1-вал, 2-втулка, 3-подшипник, 4-траверса, 5-направляющая, 6-пружина

 

Таким образом, показано, что в ТВД и ТВаД редуктор является одним из основных узлов ГТД, от надежности и ресурса которого во многом определяется степень совершенства всего двигателя.

Конструктивное исполнение редукторов может отличаться как по кинематическим схемам, так и исполнению.

Обязательным элементом каждого редуктора является устройство измерения крутящего момента, которое может быть гидравлическим, механическим или электрическим.

 

Контрольные вопросы

1. Назначение и основные требования к редукторам ГТД?

2. Приведите классификацию редукторов ГТД и дайте краткий анализ.

3. Приведите основные схемы редукторов для привода одиночного винта.

4. Приведите основные схемы для привода двойного винта.

5. Какие редуктора называются дифференциальными?

6. Выполните схему двухступенчатого планетарного редуктора?

7. С какой целью в дифференциальном редукторе применяется звено замыкания?

8. Назначение измерителей крутящего момента?

9. Измерители крутящего момента гидравлического типа?

10. Приведите схему измерителя крутящего момента торсионного типа с электрической системой контроля.