CC BY
14
СМ
УДК 621.838
В. Н. Китаев, Р Л. Афанасьев, М. В. Петров, В. В. Поль Малогабаритный инерционный датчик
Представлены конструкция и принцип действия инерционного датчика ИВ29 с постоянным магнитом. Рассмотрены результаты оценочного расчета параметров функционирования датчика (по разработанной математической модели). Предложены варианты возможной оптимизации магнитной системы датчика для более тонкой настройки параметров его срабатывания.
Ключевые слова: пороговый инерционный датчик, инерционное тело, магнит, магнитопровод.
о см
<
I
(0 га
г
0 ^
со га
1
о.
<и
о
и <и со
см ■ч-ю о
I
см ■ч-ю см
(П (П
В разрабатываемых предприятием изделиях в качестве устройств предохранения применяются пороговые инерционные датчики (ИД) с контактными системами в упрочненном исполнении (ИВ7, ИВ30, ИВ31). Указанные приборы, обеспечивающие безопасность изделия, имеют сложные трудоемкие конструкции и по этой причине не могут рассматриваться как инерционные замыкатели для планируемых к разработке устройств задействования.
Для существенного снижения стоимости инерционного прибора предложена его реализация с использованием ранее созданного технического решения по патенту РФ № 2362233 [1] при проведении работ по одной из тем.
Отличительная особенность технического решения ИД по сравнению с известными аналогами - повышенная надежность при простейшей конструкции и малых габаритах.
Инерционный прибор в предложенном варианте конструкции содержит три типоразмера оригинальных деталей (корпус, магни-топровод, магнит), токовывод в виде отрезка капилляра из 29НК, бронзовые проволочные контакты и инерционное тело в виде шарика.
На инерционный прибор - инерционный датчик ИВ29 выпущена эскизная КД, по которой изготавливаются лабораторные образцы для предварительных испытаний с целью подтверждения заявленных характеристик.
ИД замыкает контакт при торможении изделия от встречи с преградой. Габаритные размеры ИД показаны на рис. 1.
Закрепление ИД в объекте использования осуществляется тремя винтами М3. Уста© Китаев В. Н., Афанасьев Р. Л., Петров М. В., Поль В. В.,2018
013
013
Рис. 1. Габаритные размеры ИД
новка ИД непосредственно на ферромагнитное основание не допускается. Расстояние от установленного ИД до ферромагнитных элементов не менее 10 мм. Стрелка, маркированная на корпусе ИД, показывает направление ускорения срабатывания. Конструктивная схема ИД представлена на рис. 2.
Материал токовыводов - ковар 29НК с покрытием Н6, материал корпуса - пресмате-риал АГ4, материал токовыводов - электро-
| ISSN 2542-0542 Вестник Концерна ВКО «Алмаз - Антей» | № 3, 2018
m dX^ = F - F
"ш j,2 ин маг'
dt'
(1)
где тш - масса шарика;
Хш - координата шарика по оси Х (рис. 3) под действием приложенных нагрузок;
t - время действия внешней нагрузки; Иия = тшА - проекция на ось Х силы инерции, действующей на шарик;
А - проекция на ось Хускорения изделия; - проекция на ось Х силы, действующей на шарик со стороны магнита.
После соприкосновения шарика с контактами:
тш
dX,
dt
ш = f - F -
2 ин маг
(2)
-2Fnp C0s а - 2FTP sin а - FK0P ,
Рис. 2. Конструктивная схема ИД: 1 - магнит; 2 - шунт; 3 - магнитопровод; 4 - шарик; 5 - корпус; 6 - контакт
техническая сталь или сплав 27КХ. Масса ИД не более 8 г.
Пороговое ускорение срабатывания (уставка), которое настраивается при изготовлении ИД, возможно установить в широком диапазоне от нескольких десятков до сотен условных единиц.
В первоначальном варианте конструкции настройка уставки осуществлялась подбором магнита (грубая) и шунта соответствующего сечения (тонкая).
Диаграмма срабатывания ИД - коническая. Соотношение уставок в осевом и поперечном направлении определяется углом конической поверхности, выполненной на маг-нитопроводах в зоне взаимодействия с инерционным телом (шариком).
Разработана математическая модель, позволяющая получать расчетные оценки параметров функционирования и срабатывания ИД. Движение шарика в ИД описано рассмотренными ниже дифференциальными уравнениями.
До момента соприкосновения шарика с контактами
где Епр - проекция на ось Х силы, действующей на шарик со стороны контакта;
а - угол наклона оси контакта к оси X; Гтр - проекция на ось Х силы трения [2] между поверхностями шарика и контакта;
Ркор - проекция на ось Х силы [3], действующей на шарик со стороны корпуса ИД;
Рис. 3. ИД при действии ускорения, превышающего уставку:
1 - магнит; 2 - магнитопровод; 3 - шарик; 4 - корпус;
5 - контакт
С использованием численных методов для решения уравнений (1), (2) определено время нахождения в сработанном состоянии ИД. Зависимости перемещения и ускорения шарика от времени для разных мест размещения ИД в изделии, а также зоны изделия (точки 1 и 2) представлены на рис. 4, 5. Вершины пиков (на графике зависимости перемещения от времени) соответствуют контакту шарика с корпусом ИД. Разность времен В и А соответ-
ф о о.
I-
Ü о
Э
те
2
СМ
7-10 Время, с
6,5 10
а 6,0 10
о 5,5 10
№ № и 5,0 10
& 4,5 10
2 и 4,0 10
О* а? 3,5 10
— 3,0 10
2,5 10
-,-3
—А-А —Л—д— X—А-А -д—
.да
_____ А-!— —1-1-
—1-1- 1 1 —1-1- \А ¡5
1 10
-з
2 10
-з
3 10
,-з
4 10
-з
5-10
,-з
6-Ю"3 7-Ю"3 Время, с
б
Рис. 4. Ускорение (а) и перемещение (б) шарика в зависимости от времени (точка 1)
2,5-10
о см
<
I
(0 га
г |
о ^
со га г о.
<и
о
и <и со
см ■ч-ю о
I
см ■ч-ю см
(П (П
7,0 3 6,5
1 6,0 и
В 5,5
0 '
1 5,0 &
К 4,5 4,0
,-з
,-з
,-3
,-3
,-3
0 0,5 10"3 1,0 -10"3 1,5-10"3 2,0 10"3 2,5-10"3 3,0-10"3 3,5-10"3 Время, с
б
Рис. 5. Ускорение (а) и перемещение (б) шарика в зависимости от времени (точка 2)
ствует времени нахождения ИД в сработанном положении.
По результатам проведенной оценки продолжительность первого замкнутого состояния контакта инерционного датчика при встрече изделия с преградой более 200 мкс.
Требуемая продолжительность первого замкнутого состояния контакта определяется конструкцией контактной системы: на продолжительном конечном участке перемеще-
ния и, соответственно, на начальном обратном участке перемещения шарик взаимодействует с проволочными контактами, обеспечивая замкнутое состояние контакта.
При проведении оптимизации магнитной системы инерционного датчика выявлена необходимость конструктивного обеспечения более тонкой регулировки усилия притяжения шарика магнитной системой. Для этой цели в конструкцию магнитной системы предложено
| ISSN 2542-0542 Вестник Концерна ВКО «Алмаз - Антей» | № 3, 2018
Рис. 6. Конструкция ИД с регулировочными винтами: 1 - проволочный контакт; 2 - шунт; 3 - магнит; 4 - инерционное тело; 5 - корпус; 6 - магнитопровод; 7 - токовы-
вод; 8 - крепежные отверстия; 9 - регулировочные винты
ввести регулировочные винты, выполненные из магнитомягкого материала - электротехнической стали или сплава 27КХ. Конструкция ИД с четырьмя дополнительными регулировочными винтами показана на рис. 6.
Изображенные на виде Б-Б (рис. 6) вертикальные регулировочные винты позволяют шунтировать постоянный магнит, а горизонтальные - менять эффективную площадь магнитопроводов. Благодаря наличию резьбы изменение зазоров между торцами винтов и магнитом является плавным. Винты дополнительно удерживают магнитную систему ИД, обеспечивая требуемую механическую прочность конструкции.
Введение в конструкцию ИД дополнительных регулировочных винтов незначительно повышает его трудоемкость, а следовательно, и стоимость.
Также для упрощения регулировки уставки ИД на конической поверхности маг-нитопроводов, взаимодействующей с инерционным телом (шариком), и на само инерцион-
ное тело нанесено покрытие типа М24Ср9Пд3 или Н1м353л3тв. Гарантированный зазор в замкнутой магнитной цепи ИД, обеспечиваемый указанным немагнитным покрытием, позволяет уйти с участка кривой (зависимости усилия притяжения инерционного тела от величины зазора до конической поверхности) с резким изменением притягивающего усилия, что, собственно, и упрощает регулировку.
Выполнение замкнутой магнитной цепи ИД повышает сохраняемость его параметров при воздействии внешних электромагнитных полей в течение длительного срока эксплуатации.
Стоимость подобного простейшего прибора при изготовлении на серийных предприятиях отрасли не будет превышать 5 % от стоимости изготовления приборов ИВ7, ИВ30, ИВ31.
Оригинальные решения конструкторских Ц задач, показанные на примере разработки малогабаритного инерционного датчика ИВ29, могут быть полезны инженерам-конструкторам, создающим электромеханические приборы для систем автоматики изделий.
^^Jj^^ | Машиностроение |
Ï^C -
Список литературы
1. Инерционный переключатель. Патент РФ № 2362233 от 24.12.2007. Н01Н 35/14. Опубл. 20.07.2009.
2. Яворский Б. М., Детлаф А. А. Справочник по физике для инженеров и студентов вузов. М.: Наука, 1977. С. 53-55.
3. Матюнин В. М. Критические нагрузки и параметры отпечатка в начальной стадии пластического контакта шара с плоской поверхностью метала // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2007. Т. 73. № 4. С. 62-65.
Поступила 21.03.18
о см
Китаев Владимир Николаевич - начальник отдела Федерального государственного унитарного предприятия «Российский федеральный ядерный центр - Всероссийский научно-исследовательский институт технической физики имени академика Е. И. Забабахина», г. Снежинск.
Область научных интересов: разработка электромеханических датчиков и приборов для систем управления летательных аппаратов.
Афанасьев Роман Львович - заместитель начальника отдела Федерального государственного унитарного предприятия «Российский федеральный ядерный центр - Всероссийский научно-исследовательский институт технической физики имени академика Е. И. Забабахина», г. Снежинск.
Область научных интересов: расчетно-экспериментальные исследования механических и электромеханических приборов.
Петров Максим Владимирович - инженер-исследователь Федерального государственного унитарного предприятия «Российский федеральный ядерный центр - Всероссийский научно-исследовательский институт технической физики имени академика Е. И. Забабахина», г. Снежинск.
Область научных интересов: расчетно-экспериментальные исследования механических и электромеханических приборов.
Поль Вадим Валерьевич - инженер-конструктор Федерального государственного унитарного предприятия Российский федеральный ядерный центр - Всероссийский научно-исследовательский институт технической физики имени академика Е. И. Забабахина», г. Снежинск.
Область научных интересов: разработка электромеханических датчиков и приборов для систем управления летательных аппаратов.
IT Small-size inertia sensor
>s
£ The study introduces the design and principle of operation of the inertia sensor IV29 with a permanent magnet.
< According to the mathematical model developed, we consider the results of the sensor parameter estimation,
1 and propose the options for a possible optimization of the magnetic system of the sensor for a better fine-tuning
CO
| of its actuation data.
Keywords: threshold inertia sensor, inertial block, magnet, magnetic core.
§ Kitaev Vladimir Nikolaevich - Head of Department, Federal State Unitary Enterprise "Russian Federal Nuclear Center -^ Zababakhin All-Russia Research Institute of technical Physics", Snezhinsk.
cL Science research interests: development of electromechanical sensors and instruments for aircraftcontrol systems.
ZJ
g Afanas'ev Roman L'vovich - Deputy Head of Department, Federal State Unitary Enterprise "Russian Federal Nuclear
Center - Zababakhin All-Russia Research Institute of technical Physics", Snezhinsk.
i Science research interests: experimental studies of mechanical and electromechanical devices. d
03 Petrov Maksim Vladimirovich - Research Engineer, Federal State Unitary Enterprise "Russian Federal Nuclear Center -Zababakhin All-Russia Research Institute of technical Physics", Snezhinsk.
Science research interests: experimental studies of mechanical and electromechanical devices.PolScience research interests: development of electromechanical sensors and instruments for aircraftcontrol systems.
K Pol Vadim Valerievich - Design Engineer, Federal State Unitary Enterprise "Russian Federal Nuclear Center - Zababakhin jjj All-Russia Research Institute of technical Physics", Snezhinsk.
— Science research interests: development of electromechanical sensors and instruments for aircraftcontrol systems
