CC BY
56
Ключников А.В. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТОЧНОСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК СИСТЕМЫ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ МАССО-ИНЕРЦИОННОЙ АСИММЕТРИИ РОТОРОВ
Как известно, свойство средства измерений (СИ) сохранять во времени метрологические характеристики (МХ) в пределах установленных норм при эксплуатации в заданных режимах и условиях использования, является одной их важнейших характеристик качества СИ, влияющих на конкурентоспособность СИ. Поскольку в процессе эксплуатации СИ одна или несколько МХ, изменяясь, могут выйти за пределы, нормируемые в технической документации, и, тем самым перевести СИ в неработоспособное состояние, то на практике подтверждение объявленной точности СИ, как правило, обеспечивается путем его поверки (или калибровки), выполняемой с заданной периодичностью в течение всего срока эксплуатации.
В данной работе рассмотрены вопросы точности характеристик автоматизированной системы контроля (АСК) «Балансировка», созданной на базе вертикального низкочастотного дорезонансного динамического балансировочного стенда с коническими газостатическими подшипниками [1-3] и предназначенной для проведения в динамическом режиме балансировки роторных объектов конической формы («длинных» жестких роторов) с одной штатной плоскостью коррекции, конструктивно расположенной вблизи его торца на значительном расстоянии от центра масс, и определения с заданной точностью значения остаточного
поперечного смещения центра масс ест и угла остаточного отклонения продольной главной центральной
оси инерции (далее - ГЦОИ) от геометрической оси агл, т.е. параметров, характеризующих асимметрию распределения масс ротора относительно геометрической оси [4, 5]. Определение указанных параметров выполняется методом модульной балансировки по двум сборкам [6] по результатам измерения дисбалансов ротора, который жестко устанавливается торцом вверх внутри специальной технологической оправки -переходника. Технологический переходник представляет собой металлический полый конический ротор, который в свою очередь базируется на рабочие поверхности подшипниковых опор и предназначен для исключения возможности механического контакта ротора с подшипниками в процессе выполнения
измерений, а также материализует вторую плоскость коррекции контролируемого ротора.
Настройка системы на конкретный ротор выполняется в начале балансировочного эксперимента с использованием пробных грузов, устанавливаемых последовательно в каждой из двух плоскостей
коррекции. А корректировка массы ротора с целью достижения заданных в документации на ротор нормативов статической и моментной балансировки выполняется путем установки балансировочного груза (грузов) на его штатную плоскость коррекции. При проведении балансировочного расчета используется априорно известная информация о массе, главных центральных моментах инерции относительно координатных осей X, У, 2 и геометрических характеристиках, обозначения которых приведены на
рисунке 1, полученная с использованием другого оборудования и других СИ. Принципы методики выполнения измерений и обработки экспериментальной информации изложены в [1, 7-9].
ЦМ - центр масс ротора; ест - величина поперечного смещения центра масс; агл - угол отклонения ГЦОИ от геометрической оси ротора; Хв, Хн - расстояния от центра масс до соответственно верхней и нижней плоскости коррекции; Гв, Гн - радиус соответственно верхней и нижней плоскости коррекции;
Основной трудностью при оценке погрешности измерений АСК «Балансировка» с целью подтверждения их соответствия заданным нормативам в процессе эксплуатации системы является отсутствие эталонов и
сравнительных СИ, сопоставимых по точности и диапазонам контролируемых параметров с методами, применяемыми на АСК для этих целей.
В [3] рассмотрены подходы, использование которых обеспечивает возможность определения точностных характеристик АСК «Балансировка» в процессе проведения метрологических испытаний системы в так называемом активном режиме функционирования [10], т.е. когда можно задавать калибровочные эталонные значения контролируемых параметров ест и агл асимметрии (управлять параметрами) в требуемых диапазонах измерений. В процессе испытаний системы в качестве объекта контроля используют
динамически сбалансированный эталонный ротор, массо-центровочные и инерционные характеристики (МЦИХ) которого близки к аналогичным характеристикам контролируемых изделий и определены с высокой точностью. При этом калибровочные эталонные значения параметров асимметрии массы ротора моделируют (задают) с помощью калиброванных контрольных грузов, устанавливаемых на верхнюю плоскость коррекции. Перед проведением испытаний выполняют экспериментальную настройку системы на контрольный ротор с использованием пробных грузов и определяют коэффициенты балансировочной чувствительности системы и коэффициенты взаимовлияния плоскостей коррекции при наличии дисбаланса в одной из плоскостей [4, 8], используемые при расчете дисбалансов контрольного ротора.
Структурная схема контроля погрешности АСК «Балансировка», обеспечивающая получение
градуировочной характеристики по точкам либо градуировочной таблицы для контролируемого параметра массо-инерционной асимметрии П в заданном диапазоне измерений Дп= (Пш±п, Пшах) приведена на рисунке
2. Эталон задает на входе АСК номинальные калибровочные значения Пка в дискретных точках измерений 1 = 1, п. На выходе АСК получают результаты измерений параметра в виде значений Пизм±. При этом минимально необходимое количество измерений в каждой проверяемой точке может быть выбрано по
рекомендациям МИ 1202. Расчет массы контрольных грузов, установка которых на верхнюю плоскость коррекции обеспечивает задание конкретных калибровочных эталонных значений параметров асимметрии рабочего эталона изделия в заданных диапазонах измерений, выполняют с использованием подходов, рассмотренных в [8].
Главная центральная ось инерции
'X
Рис. 1
Эталон
П^оі
АСК Пизм,
Рис. 2
При использовании общепринятого подхода [11] к анализу результатов измерений линейного СИ полагают, что погрешности измерений мгновенных значений соответствующей градуировочной характеристики полностью определяются погрешностью измерения выходного значения Пизм±г что для каждой контрольной точки могут быть представлено выражением
Пизм± = Пк± + &Пизм± • (1)
Однако на практике погрешности в изготовлении эталонного ротора, пробных и контрольных грузов, резьбовых отверстий, используемых для установки грузов на плоскость коррекции (соответственно нормально распределенные), могут приводить к появлению аддитивных погрешностей в задании калибровочных эталонных значений контролируемых параметров асимметрии, описываемых моделью
Пк± = Пка + Шк±. (2)
Это в свою очередь может вносить значительную долю в суммарную оценку погрешности градуировочной характеристики.
Формирование погрешности градуировочной характеристики АСК согласно [12] с учетом связи между значениями контролируемого параметра Пизм1 и Пк01 показана на рисунке 3.
д
Д U ШМ1 f /
1 1 Afffe 1
1* ^ . 1 Пк >-
IJkoi Uki
Рис. 3
Так как известны значения ПИЗМ1 и Пка, то для оценки точности градуировочной характеристики в каждой проверяемой точке диапазона следует, пользуясь выражением (1), определить значение погрешности измерения параметра &ПИзм± и рассчитать с учетом всех составляющих погрешностей значение погрешности задания контрольного эталонного параметра кПк±. Тогда суммарная оценка погрешности в точке Пка будет определяться равенством [12]
. (3)
Согласно рекомендации МИ 2440 [13] система может быть признана годной к эксплуатации, если в
процессе поверки (калибровки) во всех проверяемых точках для каждого из контролируемых параметров суммарная погрешность измерений ДПк±Е не превышает предела допускаемых значений. Если хотя бы в одной из проверяемых точек погрешность выходит за границы допускаемых значений, то система бракуется и направляется в ремонт.
При проведении экспериментальных исследований АСК «Балансировка» моделирование конкретных калибровочных эталонных значений смещения центра масс pki в диапазоне от 0,03 до 0,3 мм и угла перекоса ГЦОИ акгл± от 1 до 30 угловых минут выполнялось установкой на верхней плоскости коррекции соответствующих контрольных грузов mki, масса которых определялась взвешиванием на весах с погрешностью не более ±0,01%, в произвольные резьбовые отверстия с заранее известным угловым положением р шк±. Использование в расчетах коэффициентов взаимовлияния плоскостей коррекции, экспериментально определяемых при настройке АСК на эталонный ротор [8], позволяло с высокой точностью рассчитывать дисбалансы в плоскостях коррекции. Согласно [2, 9] процесс измерений
заключался в определении дисбалансов эталонного ротора, действующих в двух плоскостях коррекции, методом двух сборок ротора с технологическим переходником и расчете искомых значений поперечного смещения центра масс и угла отклонения ГЦОИ от геометрической оси ротора. Дополнительное подтверждение достоверности результатов измерений контролируемых параметров массо-инерционной асимметрии эталонного ротора в процессе калибровки системы выполнялось путем определения неуравновешенной массы в плоскости установки контрольного груза и сравнением ее векторных
параметров с соответствующими параметрами контрольного груза.
В результате экспериментов были получены оценки точности определения значений искомых градуировочных характеристик АСК «Балансировка» с использованием выражений (1)-(3). Погрешности измерений на АСК величины поперечного смещения центра масс ест и угла отклонения ГЦОИ от геометрической оси аГл для изделий, МЦИХ которых близки по значениям к МЦИХ эталонного ротора, не превысили соответственно величин Дест = ±0,01 мм и Дагл = ±1' в заданных диапазонах измерений параметров.
Предложенная методика, обеспечивающая оценку точности АСК «Балансировка» при задании входных и измерении выходных параметров массо-инерционной асимметрии роторов с аддитивными погрешностями может быть полезна экспериментаторам при проектировании подобных измерительных систем и их практическом применении.
ЛИТЕРАТУРА
1. Глазырина Л.М. Автоматизированная система балансировки роторов / Л.М. Глазырина, П.Г.Жиганов, Д.Г. Егоров, А.В. Ключников, А.М. Пелевин // Современные технологии автоматизации. - 2001. - №4. -
С. 48-53.
2. Ключников А.В. Математическая модель и способ динамической одноплоскостной модульной
балансировки ротора / А.В. Ключников, Л.М. Глазырина, А.И. Мальгин // Датчики систем измерения,
контроля и управления: Межвуз. сб. науч. тр. - Вып. 23. - Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2003. -С. 143-149.
3. Фомин Ю.П. Разработка интеллектуального измерителя МЦИХ роторов / Ю.П. Фомин, А.В. Ключников,
Л.М. Глазырина, А.И. Мальгин // Проблемы автоматизации и управления в технических системах: Сб.
докл. Международной науч. конф. - Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2004. - С. 46-50.
4. ГОСТ 19534-74. Балансировка вращающихся тел. Термины.
5. ГОСТ 22061-76. Машины и технологическое оборудование. Система классов точности балансировки.
6. Левит М.Е., Рыженков В.М. Балансировка деталей и узлов. - М.: Машиностроение, 1986. - 248 с.
7. Егоров Д.Г., Ключников А.В. Алгоритмическое и программное обеспечение автоматизированного съема и обработки сигналов дисбалансов в процессе балансировки роторов // Датчики систем измерения,
контроля и управления: Межвуз. сб. науч. тр. - Вып. 22. - Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2001. -С. 104-107.
8. Глазырина Л.М. Расчетно-экспериментальный метод одноплоскостной балансировки «длинного»
жесткого ротора / Л.М. Глазырина, А.В. Ключников, А.И. Мальгин, А.М. Пелевин // Методы и средства измерения в системах контроля и управления: Сб. докл. Международной науч. конф. - Пенза: Изд-во
Пенз. гос. ун-та, 2002. - С. 184-187.
9. Ключников А.В. Особенности технологии одноплоскостной модульной балансировки изделия / А.В. Ключников, Л.М. Глазырина, А.И. Мальгин // Проблемы автоматизации и управления в технических системах: Сб. докл. Международной науч. конф. - Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2004. - С. 40-43.
10. Федоров В.В. Теория оптимального эксперимента. - М.: Наука, 1971. - 312 с.
11. Новицкий П.В., Зограф И.А. Оценка погрешностей результатов измерений. - Л.: Энергоатомиздат,
1991. - 304 с.
12. Добровольский И.Г. Анализ точности измерений значений информационно-измерительных систем // Контроль. Диагностика. - 2002. - №5. - С. 41-44.
13. МИ2440-97 (с Изменением №1). ГСИ. Методы экспериментального определения и контроля характеристик погрешности измерительных каналов измерительных систем и измерительных комплексов.
