CC BY
54
Использование современных средств тензометрирования в исследованиях горных и строительных машин
В.С. Великанов, канд. техн. наук, А.В. Козырь, канд. техн. наук, И.Г. Усов, канд. техн. наук, И.И. Усов, студент,
АА Абдрахманов, студент ФГБОУ ВО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова»_
Особенность эксплуатации горных и строительных машин, к которым относятся и экскаваторы, состоит в том, что внешние нагрузки, действующие на металлоконструкции, изменяются во времени и зависят от скорости движения рабочего органа, качества подготовки забоя и квалификации оператора.
Исследования поломок рукояти экскаваторов типа ЭКГ показывают, что наибольшее их число связано с действием нагрузок, превышающих предельные значения и возникающих вследствие низкой квалификации операторов, плохой подготовленности горной массы к экскавации и др. [1, 2].
Известно достаточное количество методов регистрации и контроля деформаций конструкций; применяются, как правило, неразрушающие или натурные экспериментальные методы диагностики, среди которых наибольшее развитие получил тензометрический метод.
Поэтому для определения фактической нагруженности деталей горных машин в реальных условиях эксплуатации большое значение приобретают методы экспериментальной тензометрии, позволяющие определить действительные данные о напряжениях и нагрузках в деталях горных машин при изменении условий и режимов эксплуатации, т. е. получить фактические данные для оценки ресурса машин [1, 2].
В состав типовой тензометрической системы входит ряд основных элементов:
- первичные преобразователи (ПП), которые размещаются на исследуемых элементах и преобразуют измеряемую физическую величину в сигнал;
- модули сбора и обработки данных, служащие промежуточными измерительными преобразователями и предназначенные для приема и обработки информации с ПП, усиления и передачи ее на ЭВМ;
- источник питания;
- устройства и линии связи для обеспечения обмена информацией и командами между устройствами и подсистемами;
- персональный компьютер с программным обеспечением - для регистрации, визуализации и анализа данных.
Тензорезисторы - это первичные преобразователи тензо-метрических измерительных систем, представляющие измерительное средство, позволяющее регистрировать весьма малые деформации. Проволочные тензорезисторы содержат чувствительный элемент, выполненный из тонкой калиброванной проволоки в виде плоской зигзагообразной решетки, к концам которой припаиваются или привариваются выводные проводники. Решетка помещается внутри основы, состоящей из слоев специальной бумаги или полимерной пленки [3, 4]. Выбор тензорезисторов осуществляется с учетом целей эксперимента, условий работы, диапазона температур, предполагаемого напряженно-деформированного состояния, уровня измеряемых деформаций, частоты и длительности испытаний.
Развитие микропроцессорной техники привело к созданию новых измерительных преобразователей - интеллектуальных датчиков (ИД), электронных устройств, основанных на объединении чувствительных элементов и схем преобразования. К основным достоинствам ИД относятся:
- объединение в одном корпусе преобразователя и микропроцессора, что позволяет выполнять основные операции по преобразованию и повышению достоверности измерительной информации;
- по-новому распределяются функции между основными элементами систем контроля и управления, имеется возможность освободить центральный процессор от необходимости обработки больших объемов первичной информации;
- повышается информативность выходного сигнала, формирование потока данных с необходимой достоверностью на основе анализа достаточно большого объема данных результатов измерений;
- совокупность аппаратных и программных средств, обеспечивающих отображение свойств объекта контроля или управления в виде некоторой структуры данных, формируемых в результате обработки выходного сигнала измерительного преобразователя по определенному алгоритму.
В лабораторных исследованиях нами использовались интеллектуальные цифровые датчики производства компании «Электронные технологии и метрологические системы» (7БТБЛБ).
7БТ8БМ80Б. - семейство интеллектуальных миниатюрных и простых в применении устройств, разработанных для встраивания в корпуса всевозможных датчиков. Каждое устройство выполнено одно-, двух- или трехканальным, специализировано под конкретный тип датчика и содержит цифровой сигнальный процессор, что позволяет производить вычисления автономно и представлять пользователю готовые данные, не требующие дальнейшей обработки. Важным преимуществом серии является возможность использования устройств без сложных настроек и конфигураций. Датчик начинает работать и передавать данные сразу после подачи питания. Усиление и обработка производятся максимально близко к чувствительному элементу, а данные передаются в цифровом виде, что снижает требования к каналу передачи данных. С помощью устройств данного семейства возможно построение распределенных измерительных сетей, в отличие от централизованных схем измерений [5].
Цифровые датчики серии 7БТ 7х10 или 7БТ 7111 предназначены для измерения относительной деформации, силы, веса, напряженности, крутящего момента и других параметров. Эти датчики требуют использования внешних первичных преобразователей (ПП), выполненных на базе тензорезисторов. Это могут быть либо внешние датчики (датчик силы растяжения/сжатия балочного/консольного/кромочного типа, 8-образный тензо датчик и др.), либо отдельные
78 | «Горная Промышленность» №1 (131) / 2017
тензорезисторы, подключаемые по полумостовой либо мостовой схеме. Первичный преобразователь устанавливается на объекте измерений и подключается к цифровому датчику, который осуществляет преобразование сигнала с первичного преобразователя в значения силы, напряжения, давления и пр.
Цифровые датчики серии 7БТ 7х10 или 7БТ 7111 в зависимости от назначения и места эксплуатации выпускаются в двух вариантах исполнения: лабораторное - применяется при возможности использовать цифровые датчики в мягких условиях эксплуатации (рис. 1,а); промышленное - для эксплуатации в жестких условиях, что позволяет применять их в неблагоприятных условиях окружающей среды, выдерживая большие механические нагрузки и вибрации, допускаются к применению во взрывоопасных зонах (рис. 1,б) [5].
а)
б)
а)
Рис. 1
б)
Цифровые датчики серии 2ЕТ 7х10: а - лабораторное исполнение; б - промышленное исполнение
Пример применения датчиков
для исследования нагрузок
на рабочее оборудование экскаватора
Цель исследования состояла в определении влияния режимов управления, зависящих от квалификации операторов, на величину и характер нагрузок в металлоконструкциях экскаватора. В соответствии с разработанной методикой проведения экспериментальных исследований металлоконструкций карьерных экскаваторов определены зоны для установки ПП (рис. 2). В исследованиях использовалась действующая модель карьерного экскаватора типа ЭКГ (рис. 3)
в)
Рис. 4
Рис. 2 Места установки ПП на экскаваторе
Рис. 3 Общий вид лабораторной установки с измерительным оборудованием: 1- первичный преобразователь;
2 - измерительный модуль ZET 7010;
3 - преобразователь интерфейса ZET 7070; 4 - ноутбук HP Compaq с программным обеспечением ZETLAB
Усилия в подъемных канатах экскаватора, возникающих при экскавации скальных пород при работе операторов различных стажевых групп: а - стаж работы 10-15 лет и более; б - стаж работы 5-10 лет; в - стаж работы 1-5 лет и менее года
Запись измеренных сигналов осуществлялась с помощью программного обеспечения Zetlab, обработка экспериментальный: данных проводилась с использованием программного продукта Matlab, результаты экспериментальный исследований приведены на рис. 4.
Проведенные исследования стали одним из ключевых аргументов в решении задачи о влиянии квалификации стажа работы операторов на процесс нагружения металлоконструкций экскаваторов. На основе полученных экспериментальных данных установлены фактические усилия в металлоконструкциях экскаваторов в период экскавации горной массы в зависимости от режимов управления.
ИНФОРМАЦИОННЫЕ ИСТОЧНИКИ:_
1. Олизаренко В.В., Великанов B.C. К вопросу ранжирования профессиональных навыков машиниста карьерных экскаваторов// Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2010. - N 3. - C. 315-319.
2. Великанов B.C. Развитие методов оценки и управления эргономичностью горных машин и комплексов на основе нечетко-множественного подхода // European Science and Technology: 4th International scientific conference. Munich. 2013. P. 370-377.
3. Методы и средства натурной тензометрии: Справочник / M.JL Дайчик, H.H. Пригоровский, Г.Х. Хуршудов -М. Машиностроение, 1989. - 240 с.
4. Подэрни Р.Ю., Ковалёв Ю.А. Основы практического тензометрирования. -М.: -изд. МГН, 1980. - 47.
5. https://zetlab. com/
«Горная Промышленность» №1 (131) / 2017 | 7 9
