CC BY
0
DEVELOPMENT OF MEASURES TO REDUCE NOISE AND INJURY TO OPERATORS OF CIRCULAR SAW CUTTING
MACHINES
A.A. Sizo, A.E. Litvinov, V.V. Novikov, A.N. Chukarin
The article presents the results of the development of a mechanism implemented in the design of circular sawing machines, and performs two important tasks: to reduce noise and vibration when working on circular sawing machines and to improve the working conditions of operators of these machines by reducing injuries during work.
Key words: circular saw, circular saw, carbide guides, injuries, vibration, noise.
Sizo Alan Anzorovich, postgraduatem, [email protected], Russia, Krasnodar, Kuban State Technological University (KubSTU),
Litvinov Artyom Evgenievich, doctor of technical sciences, professor, [email protected], Russia, Krasnodar, Kuban State Technological University (KubSTU),
Novikov Valery Vladimirovich, doctor of technical sciences, professor, [email protected], Russia, Krasnodar, Kuban State Technological University (KubSTU),
Chukarin Alexander Nikolaevich, doctor of technical sciences, professor, Russia, Rostov-on-Don, Rostov State University of Railway Engineering
УДК 621; 006
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-12-112-113
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТРОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ СТРУННЫХ ДАТЧИКОВ ПЕРЕМЕЩЕНИЯ C ПЕРЕМЕННОЙ ДЛИНОЙ СТРУНЫ
Н.Н. Гусев, В.О. Маслов
Статья посвящена экспериментальному исследованию метрологических параметров струнных датчиков перемещения. В статье приведены результаты экспериментальных исследований струнных датчиков с переменной длиной струны, выполненных по патенту 2685803 РФ: МПК G01L 1/10 (2006/01) - первый тип, а также по патентам 2794285 РФ: МПК G 01L 1/10 (2006/01) и 2783958 РФ G 01L 1/10 (2006/01) - второй тип. Экспериментально подтверждены преимущества струнных датчиков второго типа по сравнению со струнными датчиками первого типа. Дано описание экспериментальных установок для проведения натурного и лабораторного экспериментов для исследования метрологических характеристик струнных датчиков с переменной длиной струны, выявлен ряд конструктивных недостатков такого типа датчиков, снижающих их метрологические и эксплуатационные характеристики. Предложены технические решения, устраняющие выявленные недостатки струнных датчиков с переменной длиной струны, новизна технических решений, предложенных для усовершенствования струнных датчиков защищена патентами. Внесенные изменения в конструкцию датчиков позволили: устранить влияние инерции подвижных элементов струнных датчиков, что расширило область их применения в условиях внешних вибраций с ускорениями до 4,66 м/с2; снизило в полтора раза относительную погрешность измерения по сравнению с паспортными значениями серийно выпускаемых струнных датчиков, повысило долговечность струнных датчиков за счет устранения трения в узлах скользящих посадок. В процессе эксперимента определены оптимальные значения длин рабочих участков струны датчиков второго типа. Подтверждена правильность технических решений, примененных в датчиках второго типа, позволяющих путем механического запоминания максимальных значений контролируемых параметров разнести во времени процессы фиксации этих параметров и их измерения. Такое конструктивное решение в условиях аварийного отключения питания вторичной аппаратуры на контролируемом объекте наземной космической инфраструктуры позволяет оценивать эксплуатационную пригодность несущих конструкций МИК после воздействия на них особых нагрузок. В статье подтверждена правильность выбора основных параметров струнного датчика перемещений, обоснованы диапазоны измерения с помощью струнных датчиков с переменной длиной струны и пути их расширения, а также научно обоснованы направления и пути усовершенствования струнных датчиков с механическим запоминанием максимальных значений измеряемой величины.
Ключевые слова: объекты наземной космической инфраструктуры, монтажно-испытательные корпуса, особые нагрузки, текущие и максимальные значения параметров напряженно-деформированного состояния несущих конструкций, конструктивные особенности и метрологические параметры струнных датчиков, переменная длина струны, эксперимент.
1. Введение. Контроль напряженно-деформированного состояния (НДС) объектов наземной космической инфраструктуры (ОНКИ), в том числе монтажно-испытательных корпусов (МИК) осуществляется с помощью комплектов тензометрического контроля (ТК) систем мониторинга (СМ). Эти системы, проектирование которых отно-
сится к началу 60-х годов прошлого века, создавались для оценки НДС несушдх конструкций ОНКИ при воздействии на них штатных эксплуатационных нагрузок. Опыт эксплуатации ОНКИ показал, что наряду со штатными режимами эксплуатации имеют место и не штатные, сопровождаемые воздействием на них особых нагрузок и воздействий (ОНВ), при которых возможно отключение электропитания СМ, что исключает возможность регистрации наиболее значимых для оценки НДС конструкций целого класса параметров, а именно, их максимальных значений в момент воздействия на несущие конструкции ОНВ [1]. В целях устранения перечисленных недостатков в Военно-космической академии (ВКА) имени А.Ф. Можайского, были проведены теоретические исследования, результатом
которых стало создание струнных датчиков (СД) перемещения [2] с переменной длиной струны и постоянной силой ее натяжения, предложенные в качестве первичных преобразователей (ПП) технических средств контроля НДС ОНКИ при воздействии на них ОНВ.
Однако опытная эксплуатация таких СД выявила ряд существенных недостатков в их конструкциях, исключающих их применение при определенных значениях параметров ОНВ. В данной статье представлены материалы экспериментальных исследований СД перемещения первого типа и предложены пути устранения выявленных недостатков в их конструкции, что позволило сформировать требования к СД с переменной длиной струны, работающих в условиях ОНВ, и создать СД перемещения второго типа, лишенные недостатков СД первого типа.
2. Основная часть. Известно [3-4], что частота/колебания струны является функцией ее длины I, т.е./(!). Неоценимый вклад в теорию и практику струнной тензометрии СМ ОНКИ с использованием данной зависимости внес к.т.н. А.О. Кучеренко, которому впервые удалось найти удачные конструктивные решения СД с переменной длиной струны. Новизна этих технических решений подтверждена патентом 2685803 РФ: МПК G01L 1/10 (2006/01) 2019 года, а общий вид опытного образца представлен на рис. 1.
Рис. 1. Общий вид опытного образца СД первого типа с переменной длиной струны А. О. Кучеренко
Предложенный А.О. Кучеренко СД первого типа разрабатывался для ТК СМ конкретного типа специальных сооружений ОНКИ, а именно, для стартовых сооружений (СС), обладающих присущими только им специфическими параметрами. Область применения СД первого типа на других сооружениях ОНКИ, например, МИКах, ограничивается их конструктивными особенностями, а именно, значительными габаритами, в том числе, пролетами, а также характеристиками ОНВ.
Указанные обстоятельства потребовали проведения ряда натурных экспериментов в целях установления возможности реализации на практике в СМ МИК СД с переменной длиной струны, оптимизировать их параметры, оценить достоверность получаемой информации, с учетом составляющих погрешностей, обусловленных конструктивными параметрами МИК и спецификой эксплуатационных нагрузок, действующих на их конструкции.
Эксплуатационные и метрологические характеристики СД оценивались в три этапа: первый - на объектах-аналогах МИК (см. рис. 2), второй - в лабораторных условиях ВКА имени Можайского (см. рис.3) и третий -непосредственно на конструкциях МИК космодрома «Плесецк» (см. рис. 11).
Ш -
Рис. 2. Натурный эксперимент со СД первого типа на объекте - аналоге МИК
Первый этап. На первом этапе эксперимент проводился с использованием СД первого типа. В качестве вторичной аппаратуры (ВА) использовались тензостанция ^ЕТ 017 Т8), специализированный периодомер (ПЦП-1), устройство диагностики и контроля (УДК-01М), устройства для регистрации статических и динамических усилий и перемещений (УРСДУП), цифровой запоминающий осциллограф (АКИП-4115/БА), ноутбук ^и) и прогибомер часового типа (6-ПАО-0,1).
В целом результаты натурных экспериментов на объектах - аналогах МИК подтвердили неоспоримое преимущество СД с переменной длиной струны по отношению к СД с переменной силой натяжения, используемых в СМ СС. При этом основным преимуществом является возможность механического запоминания экстремальных значений параметров НДС при ОНВ, даже в условиях отключения питания ВА. Вместе с тем, результаты натурных экспериментов выявили и существенные недостатки СД первого типа. Так были выявлены зоны нестабильной работы СД на граничных участках длины струны и утрата работоспособности СД при наличии внешних вибраций, а также изменение частоты струны после многократных испытаний СД при наличии динамической составляющей измеряемого физического параметра. Устранение этих недостатков производилось на втором этапе экспериментальных исследований. По результатам первого этапа была проведена первая модификация СД, которая обеспечила автоматическую корректировку положения электромагнитной катушки возбуждения (ЭКВ) по патенту [5].
Второй этап. На втором этапе исследовались СД первого и второго типа, эксперимент проводился последовательно в две стадии. На первой стадии исследовались СД первого типа первой модификации [5], на второй стадии - второй модификации [6, 7, 8], которая была проведена в ходе проведения второго этапа эксперимента.
Основные технические характеристики присущие всем используемым в эксперименте СД:
Материал чувствительного элемента датчика (струны) - углеродистая качественная сталь 65 по ГОСТ 1050-2013, имеющая следующие основные характеристики:
- плотность материала струны, р, кг/мм3-10-6 - 7,8;
- температурный коэффициент линейного расширения, а^ 1/град -10-6 -11,8;
- допустимое напряжение в материале струны, Одоп, Н/мм2 - 350;
- модуль нормальной упругости, Е, Н/мм2 - 21 • 104;
- сила натяжения струны - 21,0 Н.
- материал корпуса СД - сталь 40Х по ГОСТ 2590-2006 (а = 1/град •Ю-6 -11,8).
Конструктивный зазор между струной и керном ЭКВ 6к° - 0,5 мм.
Диаметр струны ^=0,2 мм.
Отношение ¡М составляло 300.
Крепление струны в корпусе СД - ниппельное.
СД имеют [6-8] цельную стальную струну, которая делится на три рабочих участка: первый (¡1), предназначенный для измерения текущего значения измеряемой величины; второй, имеющий постоянную длину (¡2), предназначенный для поверки датчика без его демонтажа; третий (¡з), предназначенный для измерения максимального значения измеряемой величины за весь период эксплуатации СД.
Изменение длин участков ¡1 и ¡3 происходило за счет перемещения двух подвижных элементов. Первый подвижный элемент изменял длину участка струны ¡1 на величину значения текущей деформации (перемещения) 1Ятек, а второй - длину ¡з на величину максимальной деформации (перемещения) 1Ямакс за весь период эксперимента. В первой модификации СД деление струны осуществляется посредством скользящих посадок, а во втором - посредством электромагнитов. В первом типе СД второй подвижный элемент имеет возможность свободно перемещаться под действием силы инерции, действующей на него в направлении увеличения измеряемого параметра НДС. Максимальное значение деформации (перемещения) 1Ямакс за весь период эксперимента постоянно фиксировалось механически, посредством храпового механизма, и не зависимо от системы питания ВА.
Исследования проводились по стандартным методикам ОАО РАО «ЕЭС России» [9,10].
Экспериментальные исследования метрологических характеристик СД при измерении статических перемещений. В процессе эксперимента использовалась установка, состоявшая из следующих приборов и оборудования: токарно-винторезный станок (ОТ-5), тензостанция (7ЕТ 017 Т8), специализированный периодомер (ПЦП-1), устройство диагностики и контроля (УДК-01М), устройства для регистрации статических и динамических усилий и перемещений (УРСДУП), цифровой запоминающий осциллограф (АКИП-4115/БА), генератор Г3-106, ноутбук (1Яи) и прогибомер часового типа (6-ПАО-0,1).
Эксперимент проводился при температуре окружающей среды + 19 ^ +200С.
В экспериментальной установке обеспечивалась возможность плавной регулировки параметров импульса возбуждения СД в диапазонах:
Напряжение 100 - 165 В,
длительность (0,5Т) 0,427 - 0,598 мс,
уровень срабатывания компаратора не менее 0,1 мВ.
В процессе эксперимента определялись:
- зависимости периодов выходных сигналов СД от значения деформации (перемещения);
- зависимости амплитуд колебаний участков ¡1 и ¡3 струны датчика от значения деформации (перемещения).
В эксперименте СД с одной стороны жестко крепились к неподвижно зафиксированному шпинделю то-карно-винторезного станка (ОТ-5), а с другой - через переходник к резцовым салазкам суппорта; перемещение подвижного элемента датчика осуществлялось рукояткой ручного перемещения резцовых салазок суппорта.
Рис. 3. Общий вид экспериментальной установки для статических испытаний опытных образцов СД
Эксперимент проводился при фиксированных (статических) значениях длины участка li в диапазоне от 0,01 до 0,09 м с шагом 0,001 м и фиксированных (статических) значениях длины участка 1з в диапазоне от 0,01 до 0,09 м с шагом 0,005 м, которые контролировались прогибомером часового типа (6-ПА0-0,1).
114
Анализ полученных в ходе эксперимента результатов показал, что (см. рис 4-5):
1.Относительная погрешность измерения, вызванная приращением частоты колебаний струны /, в следствии отклонения от положения равновесия, при длине участка струны /1 =0,01 м составляет: 20% при у=0,00045 м; 9% при у=0,00032 м; 3% при у=0,0002 м (см. рис. 4а). Т.е. метрологические характеристики СД с переменной длиной струны (относительная погрешность измерения) на границе минимальных значений длины струны выше паспортных значений погрешности (не более 2-3%) для типовых струнных преобразователей с переменной силой натяжения струны [9]. При этом на границе минимальных значений длины струны СД дает неустойчивые показания, так как амплитуда наведенной в ЭКВ ЭДС колебаний не превышает уровня помех.
Относительная погрешность измерения, вызванная приращением частоты колебаний струны ^ в следствии ее отклонения от положения равновесия, при длине участка струны /1 =0,05 м составляет: 0,82% при у=0,00045 м, 0,38% при у=0,00032 м, 0,14% при у=0,0002 м, а при длине участка струны /1 =0,08 м составляет: 0,31% при у=0,00045 м; 0,15% при у=0,00032 м; 0,046% при у=0,0002 м. (см. рис. 4б). Т.е. метрологические характеристики СД с переменной длиной струны (относительная погрешность измерения) при значениях длины струны в диапазоне от 0,05 до 0,08 м значительно ниже паспортных значений погрешности (не более 2-3%) для типовых струнных преобразователей с переменной силой натяжения струны [9].
с м
з
а 13
£ №
1 41 0,00041
\/
\ / "0,0003!
\ у уо.ооо:
0£1 0.07 ДО
О.Ра 0.№
длина струнам
<мя мя ит
ит
оди
г :>.:»■" г
50,006 Э-- ■ > = оян года
тО/КМ 0.001
у*о,тз:
НМХЮ 1
цО > О/Я [1,115 длим струны, м
б
Рис. 4. Относительная погрешность измерения при у=0,0002 м; 0,00032 м; 0,00045 м и при изменении длины струны I в диапазоне: а - от 0,01 м до 0,09м с шагом 0,005м; б - 0,05м до 0,08 м с шагом 0,005м
а
У(1),м
У(1),м
0;0005
0,00045
0,000-1
0,00035 0,0003
/ •
0.00025 0"
0,0002
0,00015 •
Г
0/3001
0,00005
о,о1 0,02 оде с
• 0-.135В
• 1Ы00В Пелимомиллыил | и« 150 В]
г
0,05 0.06 0,07 и*1$ОВ 11-115 В ■• Полиномиальная (1М65 В) Полиномиальная (и-| 35 В)
- Полкномналыин [и«115В|......... Полиномиальная (11-100 В|
б
I (м)
Рис. 5. Экспериментальная зависимость у(1) для опытного образца струнного преобразователя перемещений с переменной длиной струны: а - при длительности Ти=0,1 мс; б - от положения ЭКВ
а
2. Анализ полученных результатов (см. рис.5) показал, что при постоянстве длительности импульса возбуждения струны (ти=0,5Т) и переменной длине струны амплитуда колебания струны достигает максимальных значений, а при длительности импульса (ти=Т) амплитуда колебаний струны стремится к нулю, при этом сами колебания срываются (см. рис. 5а).
3. Конструкция СД первого типа предопределяет различные условия возбуждения рабочих участков струны, которое состоит в том, что положение ЭКВ-2 в процессе измерения не меняется относительно центра участка /2 струны, а положение ЭКВ-1 и ЭКВ-3 меняется на существенную величину - до 17%. Это обстоятельство приводит к изменению амплитуды колебания участков /1 и /з струны в рабочем диапазоне измерения на величину до 54%, что в свою очередь вызывает дополнительную погрешность измерений в пределах 2,8-3,0%.
4. Возбуждение колебаний всех трех участков струны одновременно, приводит их к взаимному влиянию, что сопровождается возрастанием погрешности измерения (до 100%), что исключает возможность измерения в таком режиме.
5. Постоянное трение в узлах скользящих посадок в процессе эксперимента струнного датчика приводит к уменьшению сечения струны, что приводит к изменению частоты ее колебаний и соответственно к увеличению погрешности измерения.
Для снижения погрешности измерения в конструкцию СД первого типа были внести изменения, исключающие трение в узлах, делящих струну на рабочие участки, и обеспечивающие постоянство положения центров ЭКВ относительно центров рабочих участков струны (первая модификация СД).
Повторные испытания модифицированных СД с переменной длиной струны показали, что относительная погрешность измерения статических перемещений снизилась на 0,5%.
Экспериментальные исследования метрологических характеристик СД при измерении динамических перемещений. При проведении экспериментальных исследований метрологических характеристик СД с переменной длиной струны при измерении динамических перемещений использовалась та же экспериментальная установка (см. рис.6), что и при проведении статических испытаний, за исключением замены в ней токарно-винторезного станка (ОТ-5) на станок широкоуниверсальный инструментальный фрезерный (675).
Экспериментальные исследования проводились на СД первого типа и СД второго типов после первой модификации.
В процессе эксперимента определялись:
- зависимости периодов выходных сигналов СД от значения динамической составляющей Ддин перемещения;
- зависимости амплитуд колебаний участков ¡1 и ¡з струны датчика от значения динамической составляющей Ддин перемещения.
Ш
Ьг.тШ <*ь гШва
Рис. 6. Общий вид экспериментальной установки для динамических испытаний опытных образцов СД
Эксперимент проводился при фиксированных (статических) значениях длины участка ¡1 в диапазоне от 0,05 до 0,08 м с шагом 0,005 м и фиксированных (статических) значениях длины участка ¡з в диапазоне от 0,05 до 0,09 м с шагом 0,005 м с динамической составляющей Ддин 0,010, 0,0125, 0,015, 0,0175, 0,020 м. Динамические составляющие задавались эксцентриком, установленным на валу вертикального шпинделя станка, с плечом соответствующей длины. Статические значения длин участков струны контролировались прогибомером часового типа (6-ПАО-0,1) перед проведением очередного цикла испытаний.
Установка обеспечивала 6 скоростей вращения вертикального шпинделя станка: 95, 170, 300, 470, 900 и 1650 об/мин, что соответствует частоте вращения 1,58, 2,83, 5,00, 7,83, 15,00 и 25,5 Гц. Диапазон частот от 1,58 до 25,5 Гц соответствует диапазону собственных частот строительных конструкций МИК (согласно ГОСТ Р 548592011. 0,6-100 Гц).
В процессе эксперимента параметры импульса возбуждения обеспечивали максимальное значение амплитуды колебания струны умах < 6к° на всем диапазоне измерений.
Анализ полученных в ходе эксперимента результатов показал, что:
1.Динамическая составляющая Ддин практически не оказывает влияние на динамическую устойчивость ^ участков срун ¡1 и ¡2, а на динамическую устойчивость участка ¡з - влияние ничтожно мало. Однако амплитуда (размах) Ддин и частота Один динамической составляющей оказывает влияние на погрешность измерения, что обусловлено инерцией второго подвижного элемента [2] СД первого типа и второго типа после первой модификации. Второй подвижный элемент в процессе измерения под действием сил инерции перемещался в сторону увеличения значений измеряемой величины (перемещения). Это обстоятельство исключает возможность использования при регистрации динамических процессов СД первого типа и второго типа после первой модификации.
2.Для снижения погрешности измерения в конструкцию СД второго типа были внесены повторные изменения, исключающие действие сил инерции на второй подвижный элемент [6] - вторая модификация.
3.Повторные испытания СД второго типа с переменной длиной струны после второй модификации показали, что относительная погрешность измерения, вызванная приращением частоты колебаний струны /, в следствии ее отклонения от положения равновесия на частотах от 1,58 до 25,6 Гц, при длине участка струны ¡1 =0,05 м составляет: 0,79% при у=0,00045 м, 0,36% при у=0,00032 м, 0,13% при у=0,0002 м, а при длине участка струны ¡1 =0,08 м составляет: 0,3% при у=0,00045 м, 0,17% при у=0,00032 м, 0,09% при у=0,0002 м. Результаты получены при статиче-
ских значений длины участка ¡1 в диапазоне от 0,05 до 0,08 м с шагом 0,005 м и фиксированных (статических) значениях длины участка ¡з в диапазоне от 0,05 до 0,09 м с шагом 0,005 м с динамической составляющей Ддин 0,010, 0,0125, 0,015, 0,0175, 0,020 м в диапазоне частот от1,58 до 25,6 Гц.
3. На погрешность измерения максимальных значений контролируемых параметров НДС вибрации с указанными параметрами динамической составляющей влияния не оказывают.
Экспериментальные исследования метрологических характеристик СП при внешних вибрациях. Погрешность определения частоты колебаний струны при воздействии на СП вибраций зависит от ряда факторов, в
том числе, от коэффициента затухания (ж) струны и коэффициента перегрузки (П) [11].
В целях выяснения диапазонов значений максимальных параметров вибраций элементов строительных конструкций МИК, при которых обеспечивается работоспособность СД и систем мониторинга ТС НК МИК, было проведено экспериментальное исследование.
Исследования проводились на СД второго типа. При проведении экспериментальных исследований метрологических характеристик СД с переменной длиной струны при внешних вибрациях использовалась экспериментальная та же установка (см. рис. 7-8), что и при проведении статических и динамических испытаний, за исключением замены в ней токарно-винторезного станка (ОТ-5) и широкоуниверсального инструментального фрезерного станка (675) на универсальную испытательную машину ЦДМ-У-200.
Экспериментальные исследования проводились на СД с переменной длиной струны второго типа.
Эксперимент проводился при температуре окружающей среды +19 0С.
В процессе эксперимента СД крепился к платформе параллельно и перпендикулярно плоскости вибрации. При параллельном креплении датчика струна и электромагнитные катушка возбуждения были сориентированы в плоскости вибрации.
Эксперимент проводился при десяти фиксированных значениях амплитуды колебаний платформы (0,5, 1,0, 1,5, 2,0, 2,5, 3,0, 3,5, 4,0, 4,5, 5,0 мм при частоте колебаний - 5,4 Гц; 0,5, 1,0, 2,0 мм при частоте колебаний - 10,8 Гц и 0,5 мм при частоте -21,6 Гц)
Такой выбор диапазонов обусловлен тем, что для датчиков групп механического исполнения М1-М4 диапазон допустимых частот 0,5-100 Гц, а максимальная амплитуда ускорения до 5,0 м/с2 (0,5 д) по ГОСТ 17516.1-90 «Изделия электротехнические. Общие требования в части устойчивости к механическим внешним воздействующим факторам».
Испытания проводились до момента достижения амплитуды колебания струны значения, равного 50, т.е. максимально возможного для данного типа СП.
Рис. 7-8. Общий вид экспериментальной установки для вибрационных испытаний опытных образцов СД
второго типа
По результатам проведенного исследования было установлено, что:
1.Вибрация приводит к увеличению амплитуды колебания струны СД, а, следовательно, к увеличению амплитудной погрешности измерения, абсолютное значение которой растет с увеличением значения П .
2. Амплитуда (размах) виброперемещений Бв и их частота /в оказывает влияние на погрешность измерения, что обусловлено теми же причинами, что и в случае проведения измерений с динамической составляющей измеряемой величины, а именно, инерцией второго подвижного элемента [2, 17] СД первого типа и второго типа после первой модификации.
3.В процессе испытаний СД в условиях внешних вибраций проявились те же недостатки, что были выявлены при статических и динамических испытаниях, которые были устранены в ходе второй модификации СД.
4. Для СД второго типа после второй модификации на погрешность измерения максимальных значений контролируемых параметров НДС внешние вибрации: на частоте 5,4 Гц до 2,92 м/с2 (при амплитуде 5,0 мм); на частоте 10,8 Гц до 4,67м/с2 (при амплитуде 2,0 мм) и на частоте 21,6 Гц до 4,66 м/с2 (при амплитуде 0,5 мм) влияния не оказывают.
Новизна технических решений, примененных в процессе модернизации СД с переменной длиной защищена патентами [5-8]. Внесенные конструктивные изменения позволили получить более совершенный по сравнению с предыдущими модификациями СД с переменной длиной струны (см. рис.9-10).
Третий этап. На третьем, заключительном этапе эксперимент проводился с использованием СД второго типа второй модификации. В качестве вторичной аппаратуры (ВА) использовались тензостанция ^ЕТ 017 Т8), специализированный периодомер (ПЦП-1), устройство диагностики и контроля (УДК-01М), устройство для регистра-
117
ции статических и динамических усилий и перемещений (УРСДУП), цифровой запоминающий осциллограф (АКИП-4115/БА), ноутбук ^и) и прогибомер часового типа (6-ПА0-0,1).
В целом результаты натурных экспериментов подтвердили неоспоримое преимущество усовершенствованного СД с переменной длиной струны по отношению со СД с переменной силой натяжения, используемых в СМ СС и СД первого типа, а также СД второго типа после первой модификации.
Рис. 9. Общий вид СД с переменной длиной струны после второй модификации
I
■Z-4-
Рис. 10. Конструктивная схема СД с переменной длиной струны после второй модификации [5-8]
Предложенные технические решения, реализованные в СД второго типа после второй модификации позволили снизить в полтора раза относительную погрешность измерения (до 2%) по сравнению с паспортными значениями (не более 3%) серийно выпускаемых СД.
Рис. 11. Натурный эксперимент со СД второго типа после второй модификации на конструкциях МИК космодрома «Плесецк»
3. Заключение. В условиях натурного и лабораторного экспериментов исследованы метрологические характеристики СД с переменной длиной струны и выявлен ряд конструктивных недостатков, снижающих их метрологические и эксплуатационные характеристики.
Предложены технические решения, устраняющие выявленные недостатки, новизна технических решений которых защищена патентами.
Внесенные изменения в конструкцию СД с переменной длиной струны позволили:
- определить оптимальные значения длин рабочих участков струны (от 0,05 до 0,08 м);
- устранить влияние инерции подвижных элементов СД, чем расширить область их применения в условиях внешних вибраций в диапазонах: на частоте 5,4 Гц до 2,92 м/с2 (при амплитуде 5,0 мм); на частоте 10,8 Гц до 4,67м/с2 (при амплитуде 2,0 мм) и на частоте 21,6 Гц до 4,66 м/с2 (при амплитуде 0,5 мм);
- снизить в полтора раза относительную погрешность измерения (до 2%) по сравнению с паспортными значениями (не более 3%) серийно выпускаемых СД,
- повысить долговечность СД за счет устранения трения в узлах скользящих посадок с 1 до не менее 25
лет.
Список литературы
1. Гусев Н.Н., Кучеренко А.О. Особенности оценки технического состояния несущих конструкций специальных сооружений при особых нагрузках и воздействиях/ Н.Н.Гусев, А.О.Кучеренко // Специальные сооружения и объекты: актуальные проблемы изысканий, строительства и эксплуатации. Сборник научных трудов участников
межвузовской научно-практической конференции (25 апреля 2019 г.). ВИ(ИТ) ВА МТО имени генерала армии А.В.Хрулёва. СПб.: ВИ(ИТ) ВА МТО, 2019. С. 152-156.
2. Пат. 2685803 РФ: МПК G01L 1/10 (2006/01) / Гусев Н.Н., Кучеренко А.О.; заявители и патентообладатели Гусев Н.Н., Кучеренко А.О. - № 2017144153/28; заявл. 15.12.2017; опубл. 23.04.2019, Бюл. № 12. - 3.
3. Проектирование датчиков для измерения механических величин/Под ред. Е. П. Осадчего. - М. Машиностроение, 1979 - 480 с.
4. Эткин Л.Г. Виброчастотные датчики. Теория и практика. М.: Изд-во МВТУ им. Н.Э. Баумана, 2004.
5. Струнный преобразователь перемещения [Текст]: пат. 2794285 Рос. Федерация: МПК G01L/ 1/10 (2006.01)/ Маслов В.О., Кучеренко А.О., Добрышкин Е.О., Куницин Я.О., Осмоловский С.Л.; заявитель и патентообладатель Маслов В.О., Кучеренко А.О., Добрышкин Е.О., Куницин Я.О., Осмоловский С.Л. - № 2022119522/28(041167), заявл. 15.07.2022; опубл. 14.04.2023, Бюл. № 11. - 11с.
6. Датчик перемещения [Текст]: пат. 2777515 Рос. Федерация: МПК G01L 1/10 (2006/01) / Гусев Н.Н., Кучеренко А.О., Маслов В.О., Сычева А.М., Абу-Хасан М.; заявитель и патентообладатель ФГБОУВО ПГУПС Императора Александра I - № 2021134478; заявл. 24.11.21; опубл. 05.08.22, Бюл. № 22. - 12 с.
7. Датчик перемещения [Текст]: пат. 2783958 Рос. Федерация : МПК G01B 7/00 (2006.01), G01L 1/10 (2006.01) / Гусев Н.Н., Кучеренко А.О., Маслов В.О. ; заявитель и патентообладатель ФГБВОУВО ВКА имени А.Ф. Можайского - № 2022104584 ; заявл. 21.02.22 ; опубл. 22.11.22, Бюл. № 33. - 12 с.
8. Струнный преобразователь перемещения [Текст]: пат. 2794285 Рос. Федерация: МПК G01L/ 1/10 (2006.01)/ Маслов В.О., Кучеренко А.О., Добрышкин Е.О., Куницин Я.О., Осмоловский С.Л.; заявитель и патентообладатель Маслов В.О., Кучеренко А.О., Добрышкин Е.О., Куницин Я.О., Осмоловский С.Л. № 2022119522/28(041167), заявл. 15.07.2022; опубл. 14.04.2023, Бюл. № 11. - 11с.
9. СТО 70238424.27.140.004-2008 Контрольно-измерительные системы и аппаратура гидротехнических сооружений ГЭС. Условия создания. Нормы и требования (приказ ОАО РАО «ЕЭС России» от 20.03.2008 г. № 140).
10. СО 34.21.546-2003 (РД 153-34.2-21.546-2003) Правила организации и проведения натурных наблюдений и исследований на плотинах из грунтовых материалов. /Утв. РАО "ЕЭС России" 27.03.2000; Разраб. ОАО "Фирма ОРГРЭС", ОАО "ВНИИГ им. Веденеева"; Дата введения 2005-02-01. С.-П.: Из-во "ВНИИГ им. Веденеева", 2003.
11. Новицкий П.В., Кнорринг В.Г., Гутников В.С. Цифровые приборы с частотными датчиками. Л.: Энергия, 1970. 424 с.
Гусев Николай Николаевич, д-р техн. наук, профессор, старший преподаватель, [email protected], Россия, Санкт-Петербург, Военно-космическая академия им. А.Ф. Можайского,
Маслов Владимир Олегович, адъюнкт, Россия, Санкт-Петербург, Военно-космическая академия им. А. Ф. Можайского
EXPERIMENTAL STUDY OFMETROLOGICAL PARAMETERS OF STRING DISPLACEMENT SENSORS WITH
VARIABLE STRING LENGTH
N.N. Gusev, V.O. Maslov
The article is devoted to an experimental study of the metrological parameters of string displacement sensors. The article presents the results of experimental studies of string sensors with variable string length made under patent 2685803 RF: IPC G01L 1/10 (2006/01) - the first type, as well as patents 2794285 RF: IPC G 01L 1/10 (2006/01) and 2783958 RF G 01L 1/10 (2006/01) - the second type. The advantages of string sensors of the second type compared to string sensors of the first type have been experimentally confirmed. The description of experimental installations for conducting field and laboratory experiments to study the metrological characteristics of string sensors with variable string length is given, a number of design disadvantages of this type of sensors that reduce their metrological and operational characteristics are revealed. Technical solutions are proposed to eliminate the identified disadvantages of string sensors with variable string length, the novelty of the technical solutions proposed to improve string sensors is protected by patents. The changes made to the design of the sensors made it possible to: eliminate the influence of inertia of the movable elements of string sensors, which expanded the scope of their application in conditions of external vibrations with accelerations up to 4.66 m/s2; reduced the relative measurement error by one and a half times compared with the passport values of commercially available string sensors, increased the durability of string sensors by eliminating friction in the nodes of sliding landings. During the experiment, the optimal values of the lengths of the working sections of the string of sensors of the second type were determined. The correctness of the technical solutions used in sensors of the second type has been confirmed, which make it possible to spread the processes of fixing these parameters and measuring them over time by mechanically memorizing the maximum values of the controlled parameters. Such a constructive solution in the conditions of an emergency power outage of secondary equipment at a controlled facility of ground-based space infrastructure makes it possible to assess the operational suitability of the supporting structures of the MIC after exposure to special loads on them. The article confirms the correctness of the choice of the main parameters of the string displacement sensor, justifies the measurement ranges using string sensors with variable string length and ways to expand them, as well as scientifically substantiates the directions and ways to improve string sensors with mechanical memorization of the maximum values of the measured value.
Keywords: objects of ground-based space infrastructure, installation and test buildings, special loads, current and maximum values of stress-strain state parameters of load-bearing structures, design features and metrological parameters of string sensors, variable string length, experiment.
Gusev Nikolay Nikolaevich, doctor of technical sciences, professor, senior lecturer, [email protected], Russia, St. Petersburg, Military Space Academy named after A.F. Mozhaysky,
Maslov Vladimir Olegovich, postgraduate, Russia, St. Petersburg, Military Space Academy named after A.F.
Mozhaysky
