CC BY
10
МАШИНОСТРОЕНИЕ
УДК 624.869.72-5
И. В. АНТОНЕЦ, Д. О. СКУДНОВ
ДИНАМОМЕТРИЧЕСКИЕ ВЕСОИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ С УПРУГИМИ ЧУВСТВИТЕЛЬНЫМИ ЭЛЕМЕНТАМИ, СОЕДИНЁННЫМИ ЧЕРЕЗ ДЕМПФИРУЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО
Представлены оригинальные конструкции весоизмерителей с системой упругих колец, соединён ных между собой демпфирующими устройствами и обладающих улучшенными статическими и динамическими характеристиками.
Ключевые слова: весоизмерительное устройство, упругое кольцо, демпфирующее устройство, статическая характеристика, динамическая характеристика.
Существующие весоизмерительные устройства, чувствительным элементом которых является упругое кольцо, работают в определённых интервалах нагрузки. Характерной особенностью известных весоизмерительных устройств является наличие порога чувствительности, не позволяющего осуществлять измерение малых сил с заданной точностью. С целыо измерения нагрузки в диапазоне от десятков до сотен ныотон авторами разработаны оригинальные конструкции весоизмерительных устройств, у которых пара колец работает или последовательно, или параллельно [1].
Весоизмерительное устройство с последовательной работой колец (рис. 1 ,а) функционирует следующим образом: в исходном состоянии внутреннее кольцо 3 свободно закреплено в верхней части внешнего кольца 1; между внутренним кольцом 3 и электромагнитом 4, закреплённым на плите 5, свободно лежащей на нижнем основании кольца 1, существует зазор 5"; перед началом работы подаётся напряжение на электромагнит 4, и он притягивается с плитой 5 к кольцу 3, ликвидируя тем самым зазор 5; после того как на весоизмерительное устройство начинает действовать нагрузка, в первой фазе в работу вступает внутреннее кольцо З.При достижении нагрузки (пороговое значение нагрузки) электромагнит автоматически отключается, плита 5 ложится на нижнее основание кольца 1, кольцо 3 освобождается и возвращается в исходное состояние; во второй фазе начинает рабо-
© Антонец И. В., Скудное Д. О., 2010
тать внешнее кольцо, рассчитанное на максимальную нагрузку.
Весоизмерительное устройство с параллельной работой колец (см. рис. 1,6) работает следующим образом: внутреннее кольцо 3 закреплено в верхней части внешнего кольца 1 посредством двух пластин 2 и штифта. Снизу к кольцу 3 подвешена плита 4. Между плитой 4 и нижним основанием кольца 1 имеется зазор После того как на весоизмерительное устройство начинает действовать нагрузка, в первой фазе в работу вступает внутреннее кольцо 3. При достижении нагрузки Рп плита 4 ложится на основание внешнего кольца 1, ликвидируя тем самым зазор и во второй фазе нагрузку начинают воспринимать оба кольца, работая параллельно, до максимальной нагрузки.
^Особенностью весовых приборов с упругими силоизмерителями является зависимость их точности от упругих «несовершенств» силоизмери-телей, от прямого и обратного упругого последействия, гистерезиса, внутреннего трения и других причин. К упругим элементам (УЭ), применяемым для силоизмерения и измерения массы, предъявляются дополнительные повышенные требования стабильности и постоянства показаний. Минимальное влияние упругих «несовершенств» в измерительных УЭ достигается соответствующим выбором металла, конструкции и технологии их производства (защитные покрытия, термообработка, твёрдость и др.). Основной характеристикой УЭ является жёсткость к, характеризующая величину нагрузки, необходимую для единичного удлинения. Поэтому
г- • "
11 - 1 —■
II и
а
3
7
Рис. 1. Весоизмерительное устройство с последовательной (а) и параллельной (б) работой колец: 1 - основное упругое кольцо; 2 - верхняя ось; 3 - дополнительное упругое кольцо; 4 - электромагнит;
5 - плита; 6 - пластина; 7 - плита
статическом характеристикой измерительных УЭ — жёсткостью к, является величина их перемещений (ходов) под действием груза С:
в
5*6 = р 0)
а величина коэффициента запаса прочности
Рт
(2)
п =
Р.
шах
где Рт - предел текучести материала, Па; РШК -
/Т
напряжение при наиоольшеи допустимой нагрузке, Па.
Наряду с погрешностью от упругой отдачи УЭ свойственна нестабильность показаний от температуры. Следовательно, статическая характеристика УЭ в более общем виде будет функцией рабочего напряжения Р, модуля уп-
тлх/г/лр'гтд АЛОТ^ГМЛОПО 17 ьт и^т-ггчтпппм ПОСТОЯННОЙ С
Л. V VJ.il 1Т1М /I. * Л. Я. I V/,
зависящей от геометрических и конструктивных показателей:
8 = сЕДР). (3)
Упругие элементы, работающие в условиях изменения динамических нагрузок, рассчитывают [2] с учётом не только статических, но и динамических показателей, которые характеризуются периодом колебаний Т и собственной частотой колебаний / соответственно:
(4)
Частоту колебаний УЭ выбирают так, чтобы она была примерно в 10 раз больше частоты возмущающего воздействия, действующего на измерительный элемент. В случае применения в весовом элементе двух последовательно и двух параллельно (с одинаковой жёсткостью к) со-
единённых УЭ статическое перемещение 8Й6 и
частота / измерительного элемента под нагрузкой С определяются соответственно из условий
О О
= вк; (5)
= к
+
1
к-
/ =
1 *
2 7т\Ок '
(6)
7 кл н~ к^
где к =
к^к^
фициента жёсткости. При к] = к2
- величина приведённого коэф-
(7)
Для повышения чувствительности 5а. долж-
но быть максимальным и, следовательно, жестокость к минимальной, в то время как для повышения виброустойчивости следует максимально увеличить частоту / собственных колебаний, а следовательно, и жёсткость к. Именно эта жёсткость задаёт частоту антирезонанса, помогающего достичь оптимального соотношения «чувствительность-быстродействие» [3].
Несущая система весоизмерителя образуется деталями, соединёнными между собой затянутыми и незатянутыми (подвижными) стыками. В стыке и материале деталей происходит рассеяние энергии, за счёт чего в систему вносится демпфирование. Возбуждение колебаний в системе осуществляется, как правило, за счёт внешних сил и вибраций, возникающих при эксплуатации устройства. Суммарное колебательное перемещение осуществляется за счёт пространственных деформаций деталей и их стыков.
Соотношение этих деформаций определяется динамическими параметрами системы (жёстко-стями, массами, демпфированием) и меняется в зависимости от частоты возбуждения. Вариация этих соотношений в принципе возможна лишь при введении в конструкцию системы дополнительных демпферов.
Авторами разработан ряд конструкций весоизмерительных устройств, использующих схему с параллельной работой упругих колец, но соединённых между собой с помощью демпфирующих устройств. Использование демпфера предположительно уменьшит скачок статической характеристики в момент начала работы двух колец. Более того, использование демпфера позволит погасить собственные колебания упругой системы и улучшить её частотную характеристику, особенно для кольца с большей чувствительностью.
Представленное на рис. 2 весоизмерительное устройство состоит из внешнего кольца 1 и внутреннего кольца 3, прикреплённого к верхней части внешнего кольца. Снизу к кольцу 3 прикреплён шток 7, который с минимальным зазором перемещается в гильзе 5, движения которой в свою очередь ограничиваются по двум координатам пружинами 6. Между нижним основанием плунжера и нижним приливом внешнего кольца присутствует зазор т. е. используется конструкция поршневого воздушного демпфера с плоским поршнем.
Устройство работает следующим образом. После того как на силоизмерительное устройство начинает действовать нагрузка, в работу вступает внутреннее кольцо 3. При достижении
пороговой нагрузки, плунжер 4, сжимая воздух, перемещается и ложится на основание внешнего кольца 1, ликвидируя тем самым зазор Б, нагрузку начинают воспринимать оба кольца, работая параллельно до определённой нагрузки. Помимо функции демпфирования, конструкция выполняет функцию центрирования перемещения штока 7, что позволяет избежать скачкообразного процесса деформации системы колец. При радиальном ударе гильза 5 смещается в сторону, растягивая кольцевую пружину 6, которая, в свою очередь, возвращает систему в исходное положение.
Весоизмерительное устройство (рис. 3) отличается конструкцией плунжера 4, который так же имеет форму диска, но с выточкой в его нижней части, что позволяет осуществить более плавное перемещение во время перехода нагрузки с внутреннего кольца на внешнее. Плунжер, используемый в данный конструкции, позволяет повысить тормозной эффект, а, следовательно, повысить коэффициент демпфирования. Для обеих конструкций зазор между поршнем и стенкой камеры одинаков - 0,3 - 0,4 мм. Отличительной особенностью конструкции весоизме-рителя, показанного на рис. 4, является наличие каналов в гильзе 5, заполненной жидкостью. После того как на силоизмерительное устройство начинает действовать нагрузка, в работу вступает внутреннее кольцо 3. Жидкость начинает перетекать из нижней части гильзы по каналам в верхнюю его часть. При достижении пороговой нагрузки плунжер 4 ложится на основание внешнего кольца 1, ликвидируя тем самым зазор нагрузку начинают воспринимать
Рис. 2. Весоизмерительное устройство с системой колец, соединённых воздушным демпфером с плоским поршнем: 1 - внешнее кольцо; 2 - болт; 3 - внутреннее кольцо; 4 - плунжер; 5 - гильза; 6 - пружины;
7 - шток
Рис. 3. Весоизмерительное устройство с системой колец, соединённых воздушным демпфером, у которого поршень имеет загнутые края: 1 - внешнее кольцо; 2 - болт; 3 - внутреннее кольцо; 4 - плунжер; 5 - гильза; 6 - пружины;
7 - шток
Рис. 4. Весоизмерительное устройство с системой колец, соединённых жидкостным демпфером: 1 - внешнее кольцо; 2 - болт; 3 - внутреннее кольцо; 4 - плунжер; 5 - гильза; 6 - пружины;
7 - шток
оба кольца, работая параллельно до определённой нагрузки. Наличие жидкостного демпфера компенсирует скачки перемещения при переходе от работы внутреннего кольца к совместной работе их с внешним.
Весоизмерительное устройство (рис. 5) отличается от предыдущей конструкции наличием отверстий в плунжере 4, при этом отсутствуют каналы внутри гильзы 5.
К недостаткам устройств по рис. 4 и 5 можно отнести необходимость герметизации гильзы, относительную сложность технологического процесса изготовления каналов для протекания жидкости в первой конструкции и отверстий в плунжере во второй.
Для определения параметров демпфирования элементов системы необходимо предварительно определить значения собственных частот всей системы и приоритетное влияние элементов системы на ту или иную частоту собственных колебаний. Эта задача может быть решена на основе проведения анализа конструкции без учета демпфирования в системе. Полученный в результате анализа ряд собственных частот и соответствующих им форм собственных колебаний системы позволит определить искомые значения собственных частот для упругих элементов. Анализ формы колебаний покажет, на какой собственной частоте колеблется внутреннее упругое кольцо (т. е. эта частота будет использована при определении параметра демпфирования), а на какой колеблется вся система на упругих элементах.
Рис. 5. Весоизмерительное устройство с системой колец, соединённых жидкостным демпфером: 1 - внешнее кольцо; 2 - болт; 3 - внутреннее кольцо; 4 - плунжер; 5 - гильза; 6 - пружины;
7 - шток
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Антонец, И. В. Весоизмерительные устройства с кольцевым упругим элементом и вторичным фотодатчиком / И. В. Антонец, В. П. Табаков, Д. Э. Финогенов // Сборка в машиностроении и приборостроении. - 2006. -№12. - С. 21-25.
2. Антонец, И. В. Динамические модели си-лоизмерительных устройств кольцевого типа / И. В. Антонец, А. В. Демокритова // Труды 2-й международ, конф. «Математическое моделирование систем и процессов». - Ульяновск : УлГУ,
1999. -№4.- С. 43^5.
3. Джилавдари, И. Э. Динамика электромеханического преобразования с силовым уравновешиванием и электронным демпфированием / И. Э. Джилавдари // Датчики и системы. - 2008. -№11.-С. 9-12.
ч
Антонец Иван Васильевич, доктор технических наук, доцент. профессор кафедры «Металлорежущие станки и инструменты», специалист в области элементов и систем управления подъёмно-транспортными механизмами. Скудное Денис Олегович, магистр кафедры «Металлорежущие станки и инструменты», занимается вопросами исследования весоизмерительных устройств с кольцевыми упругими элементами.
