CC BY
29
ИЗМЕРЕНИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН
УДК 681.2.084
М. Д. Шекриладзе, Н. А. Кравченко, Ф. М. Галимов
ПЕРВИЧНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ИЗМЕРИТЕЛЯ ВЫХОДНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ПЛОСКИХ СПИРАЛЬНЫХ ПРУЖИН
M. D. Shekriladze, N. A. Kravchenko, F. M. Galimov
PRIMARY DETECTOR OF THE MEASURING INSTRUMENT OF OUTPUT CHARACTERISTICS OF FLAT SPIRAL SPRINGS
Аннотация. Актуальность и цели. Объектом исследования является измерение выходных характеристик плоских спиральных пружин, которые являются ответственным элементом измерительных приборов и устройств. Предметом исследования являются первичные преобразователи момента от угла закручивания плоских спиральных пружин. Цель исследования - разработка первичного преобразователя выходных характеристик плоских спиральных пружин, основанного на методе уравновешивающего преобразования. Материалы и методы. При разработке первичного преобразователя предложены методы магнитоэлектрического и электромагнитного уравновешивания. Проведен анализ линейной модели первичного преобразователя с учетом внешних факторов, влияющих на точность измерения. Результаты. Предложен вариант конструкции первичного преобразователя выходных характеристик плоских спиральных пружин с принципиально новой схемой уравновешивания. Выводы. Предложенный вариант позволяет уменьшить влияние трения опор и подвижных элементов конструкции на процесс измерения.
Abstract. Background. The object of the research is to measure the output characteristics of the flat spiral springs, which are responsible element measuring instruments and devices. The subject of research are the primary detectors moment from the angle of twist flat spiral springs. The purpose of the work: the development of the primary detector output characteristics of the flat spiral spring is based on the method of the counterbalancing transformation. Materials and methods. In the development of the primary detector used methods magnetoelec-tric and electromagnetic counterbalancing. The analysis of the linear model of the primary detector based on external factors affecting measurement accuracy. Results. A variant of the design of the primary detector output characteristics of the flat spiral spring with a fundamentally new scheme of counterbalancing. Conclusions. The proposed option to reduce the effect of friction bearings and moving construction elements on the measurement process.
Ключевые слова: первичный преобразователь, плоская спиральная пружина, момент, электромагнитное уравновешивание, магнитоэлектрическое уравновешивание.
Key words: primary detector, flat spiral spring, moment, electromagnetic counterbalance, magnetoelectric counterbalance.
Введение
Одной из тенденций развития измерительной техники в приборостроении является улучшение выходных параметров измерительных преобразователей физических и электрических величин путем совершенствования качества измерения и подбора по заданным характеристикам составных элементов. Одним из важных элементов является плоская спиральная пружина, которая входит в состав многих измерительных приборов и устройств. От ее выходных параметров зависит метрологическая точность измерения физических и электрических величин. Все это обосновывает важность технологического контроля плоских спиральных пружин.
Рассеяние выходных характеристик плоских спиральных пружин определяется ее распределенными упругими свойствами, которые во многом зависят от механических свойств материала заготовки, точности выполнения технологических операций ее навивки, термообработки и старения перед использованием циклическими нагружениями, а также и однородности физико-механических свойств материала по длине заготовки перед навивкой. Учитывая, что эти процессы многофакторные и точно не выполнимы, вводят выходной контроль ее характеристик для каждой исследуемой номерованной пружины, если она предназначена для работы с малыми моментами закручивания и участвует в измерении прецизионных параметров физических и электрических величин.
Важно отметить недостаточное освещение вопросов, связанных с разработкой методов и средств технологического контроля плоских спиральных пружин в отечественных и зарубежных публикациях и исследованиях [1-3].
В авиационном приборостроении для приборов, имеющих в конструкции спиральные пружины, принято измерять моменты закручивания в диапазонах, представленных в табл. 1 [4].
Таблица 1
Диапазоны измерения плоских спиральных пружин
Основные технические параметры Ед. изм. Показатель
1. Первый диапазон измерения Н • м От O до S • lO-7
2. Второй диапазон измерения Н • м От S • lO-7 до lO • lO-7
3. Третий диапазон измерения Н • м От lO • lO-7 до SO • lO-7
4. Четвертый диапазон измерения Н • м От SO • lO-7 до lOO • lO-7
5. Пятый диапазон измерения Н • м От lOO • lO-7 до 2OO • lO-7
6. Диапазон изменения угла скручивания пружины град От S до 27O
Прямое преобразование информативного сигнала при контроле характеристик пружин связано с большими погрешностями результатов измерения, которые вызваны воздействием окружающих внешних факторов. К этим факторам можно отнести температуру, механические воздействия на процесс измерения, погрешности от трения в сочлененных частях конструкций измерителей и др. Типовая реализация этого принципа заложена в специально созданной для завода «ОАО Электроприбор» установке У-1119. В установке измеряемый момент при закручивании внешнего конца пружины индицируется световым лучом на градуированной шкале от источника светового пятна, который отражается от зеркальца, установленного на торсионе. Недостатками этого метода является невозможность измерения плоских спиральных пружин в широком диапазоне моментов закручивания, погрешность измерения из-за изменения физико-механических свойств торсиона, сложность калибровки преобразователя.
Более высокой точностью контроля обладают методы измерения уравновешивающего преобразования [5-7]. Уравновешивающий преобразователь в этих устройствах представляет собой магнитоэлектрический преобразователь в виде рамки в поле постоянного магнита, взаимодействие магнитных полей вызывает момент уравновешивания контролируемой пружины. Недостатками таких преобразователей являются трение в опорах, наличие механически связанных токоподводов к рамке, довольно большой порог реагирования из-за наличия упругого элемента в схеме измерения, что снижает точность контроля и вызывает сложность обеспече-
ния погрешности измерения 0,1 • 10 7 Н • м . В работах [8-10] авторами предложено устройство с уравновешивающим первичным преобразователем для измерения выходных характеристик плоских спиральных пружин, обеспечивающее диапазон измерения от 0 до 200 • 10"7 Н • м и приведенную относительную погрешность измерения 1,5 %.
Принцип работы первичного преобразователя
В работе проанализированы два метода уравновешивания момента, создаваемого пружиной:
1) метод магнитоэлектрического уравновешивания;
2) метод электромагнитного уравновешивания.
Конструкция первичного преобразователя на основе вышеперечисленных методов представлена на рис. 1, где уравновешивание происходит без токоподводов к подвижной рамке и упругих противодействующих элементов непосредственным воздействием на плечи коромысла 1 моментом закручивания испытуемой пружины 21 и уравновешивающим магнитным полями уравновешивающего преобразователя 10 управляемым током. При этом уравновешивающие преобразователи 10 закреплены жестко на основании прибора, а индикация достижения уравновешивания коромысла 1 осуществляется оптической системой (точечный источник света 7, зеркало оптической системы 8 и фотоприемник 9). Углу закручивания пружины 21 соответствует момент М, который уравновешивается через коромысло током I через обмотку уравновешивающего преобразователя, т.е. статическая характеристика преобразования первичного преобразователя в общем виде
I = / (М), (1)
где I - ток компенсации; М - момент.
7
Рис. 1. Первичный преобразователь выходных характеристик плоских спиральных пружин: 1 - коромысло; 2 - выходной вал; 3 - опора выходного вала; 4 - фиксируемая втулка; 5 - ось балансировочного груза; 6 - подвижный балансировочный груз; 7 - точечный источник света; 8 - зеркало оптической системы; 9 - фотоприемник; 10 - уравновешивающий преобразователь; 11 - упор плеча коромысла; 12 - подвесная чаша, 13 - источник тока уравновешивания; 14 - схема указателя баланса; 15 - источник механических вибраций; 16 - блок управления параметрами вибраций; 17 - платформа; 18 - уровень; 19 - регулируемая опора гашения вибрации; 20 - зажимы внутреннего конца пружины; 21 - испытуемая пружина
При методе магнитоэлектрического уравновешивания уравновешивающие преобразователи 10 выполнены в виде электромагнитов, каждый из которых состоит из катушки и подвижного постоянного магнита, закрепленных на каждом из концов коромысла. Взаимодействия магнитных полей катушек и постоянных магнитов создают моменты, направленные на уравновешивание момента коромысла 1, создаваемого испытуемой пружиной 21. При данном методе измерения статическая характеристика преобразования измерительного преобразователя линейна.
При методе электромагнитного уравновешивания уравновешивающие преобразователи 10 выполнены в виде электромагнитов, каждый из которых состоит из обмотки с ферромагнитным сердечником и ярма, закрепленного на концах плеч коромысла 1. Силовое взаимодействие магнитных полей электромагнитов создают моменты, направленные на уравновешивание момента коромысла 1, создаваемого испытуемой пружиной 21. При питании электромагнитов постоянным током происходит релейное срабатывание магнитного взаимодействия катушки с сердечником и ярмом из магнитомягкого материала, что объясняется магнитными свойствами цепи с переменным зазором, в которой возникает остаточная намагниченность при питании постоянным током. Для устранения залипания от остаточной намагниченности питание такого уравновешивающего преобразователя необходимо производить переменным током. В этом случае в сердечнике возникают потери энергии на перемаг-ничивания. При данном методе измерения статическая характеристика преобразования измерительного преобразователя нелинейная.
Калибровка измерительного преобразователя производится созданием контрольного момента путем нагружения чаши 12 разновесками в заданном диапазоне измерения после уравновешивания коромысла [11]. Калибровочный момент Мк будет определяться как
Мк = ¥Ь, (2)
где ¥ - сила тяжести разновески; Ь - длина плеча коромысла, на котором подвешена чаша.
Перед включением процесса измерения производится регулировка горизонтального положения платформы 17 и соответственно коромысла 1 изменением высоты опор 19 гашения вибраций по индикатору уровня 18.
Для устранения несимметричного закручивания и разгрузки опор 3, т.е. уменьшения момента трения, предложена дифференциальная схема уравновешивания с двумя симметричными уравновешивающими преобразователями 10 момента относительно оси выходного вала 2.
В работе предложен метод уменьшения трения в опорах 3 выходного вала введением вибраций в зону опор. Для этого устанавливается оптимальный режим источника 15 механических вибраций, не влияющий на процесс измерения, путем регулировки частоты и ускорения вибраций в блоке 16 управления параметрами вибрации. Механические вибрации передаются по платформе 17 к опорам 3 выходного вала 2 и создают его микроподбрасывание, значительно уменьшающее трение между ними.
Особое внимание следует обратить на балансировку коромысла 1 перед измерением, точность которой определяет порог реагирования при измерении момента и вносит систематическую погрешность. Схема балансировки коромысла при различных положениях чаши представлена на рис. 2.
Li=const L2=const
Ls=var L4=var Ту
V V о
Рп Рб га и
Рч
1
Рис. 2. Схема балансировки коромысла
При выполнении балансировки коромысла необходимо учесть, что:
1) происходит практически автоматическое вычитание правого и левого моментов Мп = Ь ■ Рп и Мл = Ь • Рл при идентичности плеч коромысла;
2) необходимо уравновесить моменты, создаваемые чашей Мч = Ь- ■ Рч, и неидентичность плеч коромысла поочередным изменением моментов Мб = Ь4 ■ Рб путем перемещения груза и угла Р вдоль оси балансировочного груза, добиваясь того, чтобы выполнился баланс
Ь3Рч = Ь4Рб- (3)
Весомую составляющую в погрешности измерения момента играют трения в опорах выходного вала. В качестве опор [12] для первичного преобразователя выбраны цилиндрические опоры с трением скольжения, так как они просты в изготовлении, могут воспринимать большие нагрузки (как радиальные, так и осевые), обладают высокой прочностью и износостойкостью, хорошо работают в широком диапазоне нагрузок, могут функционировать в режиме жидкостного трения и без смазки. Опорами скольжения называют такие опоры, работа которых происходит в условиях скольжения поверхности охватываемого элемента (цапфы, пяты) по поверхности охватывающего элемента (втулки, подшипника, подпятника). Цилиндрические опоры скольжения применяют в часовых механизмах, в механизмах радиоустройств, в оптико-механических, контрольно-измерительных, авиационных приборах и во многих других приборных устройствах. В механизмах приборных устройств повышенной точности применяют подшипники из естественных или искусственных минералов, таких как агат, сапфир, рубин, корунд.
Материал подшипника в сочетании с материалом цапфы должен обладать малым коэффициентом трения, высокой износостойкостью и хорошей прирабатываемостью. Слой трения должен обладать необходимой несущей способностью, противостоять коррозионному воздействию среды, коэффициент теплопроводности должен быть достаточным для отвода теплоты из зоны трения. Кроме того, необходимо учесть экономическую целесообразность применения данного материала по стоимости, технологичности обработки и работоспособности в течение заданного срока службы. Для данной опоры выбран материал подшипника - рубин с коэффициентом трения / = 0,14.
Линейная модель процесса преобразования
Кроме вышеописанной систематической погрешности, неточности балансировки коромысла и погрешности от трения в опорах, на первичный преобразователь в процессе его работы действует совокупность внешних факторов. Выделены наиболее существенные факторы, которые могут повлиять на процесс преобразования информативного сигнала.
Считая процесс установившимся, проведем анализ линейной детерминированной модели процесса преобразования угла закручивания пружины (рис. -).
Рис. 3. Линейная модель процесса преобразования информативного сигнала
При этом статические характеристики всех элементарных измерительных преобразователей Wl-Щ определяются линейной зависимостью между приращением входного # и выходного /вых сигналов, а коэффициенты О^™, связывающие эти зависимости, характеризуют
чувствительности (крутизну преобразования) к изменению выходного сигнала на входное воздействие и находятся как частные производные функции преобразования по входному сиг-
„/ д/
налу в точке линеаризации = —
На основании такой постановки задачи статическая характеристика процесса преобразования запишется в виде
'вых = У (а Тс , Мпружины, Мкоромысла , Мтр.опор, Ммех,
М М Е М М й Е и ) (4)
неуравн' изм' ^опт.системы' компенс' вн.полей' ^зазора' пит/ * V /'
где /вых - выходной ток преобразователя, пропорциональный измеряемому моменту Мпружины ; а - угол закручивания пружины (информативный сигнал по углу); Тс - температура окружающей среды; Мпружины - момент измеряемой пружины (информативный сигнал по моменту); Мкоромысла - момент коромысла; Мтр опор - момент трения опор; Ммех - момент наводок от внешних механических воздействий; Мнеуравн - момент неуравновешенности; Мизм - измеряемый момент; Еопт.системы - неточность срабатывания оптической системы; Мкомпенс - момент компенсации преобразователя; Мвн полей - помехи от внешних электрических, магнитных и других полей; Езазора - погрешность установки зазора в уравновешивающем преобразователе; ипит - напряжение питания электрических цепей. Тогда линейная модель определится выражением
ч'в^ту А 7 _ А /^'виу А .,-># I А /^'вих А Т7 \ А /^'виу А Л £ I А /'^l/:ь
ДО/- Д вЬК = Д^Т Да + АвТ- ДТс + ДОт ДМпружины + ДОТ ДМ +
^опт.системы 1 с 1У1 пружины ^ 1У1 тр.опор г г
+ ДвМых ДМмех + ДвМых ДМнеуравн + ДОМГ ДМизм + ДЕопт.системы +
мех неуравн •'г изм ^опт.системы
Дв1- ДМкомпенс +ДбММЫХ - ДМвн.полей + Д^ Д^ора + Д^Т Дипит. (5)
компенс вн.полеи ^зазора г ^ пит
Из выражения (5) можно выделить мультипликативную погрешность, т.е. крутизну преобразования:
Д/М = ^МЫурав, ДМнеуравн + ДМмех + ^ Дипит + ^ ДТс +
+ ДQÍ0ЬTXCИCтеMь ДЕопт. системы + ^а ДЕзазора, (6)
и аддитивную погрешность, т.е. смещение нулевого от начального значения:
Д/ = ДО'вых ДМ + ДО1™* ДМ - + ДО'вых ДМ (7)
^ ^¿М "'"тр.опор ^ V, М .^"вн.полей т ^ ¿¿М "'"компенс • У)
тр.опор 1 1 вн.полей компенс
Мультипликативная погрешность преобразователя угла закручивания пружины в электрический сигнал появляется в результате действия составляющих: Дипит - погрешности напряжения питания электрических цепей, вызванные изменением коэффициентов усиления информативного сигнала; ДТс - погрешность от изменения температуры окружающей среды, приводит к деформации конструктивных элементов измерителя, элементов электроники и параметров пружины, что в итоге приводит к погрешностям компенсации и передачи задаваемого момента закручивания; ДМмех - погрешность, вызванная наводками от внешних механических воздействий, приводит к искажению электромагнитного поля в уравновешивающем преобразователе, изменению процесса компенсации и наложению механических помех на
процесс механический статической балансировки; ЛМвнполей - погрешность, вызванная помехами от внешних электрических, магнитных и других полей, также искажает балансировку; А^оптсистемы - погрешность от неточности срабатывания оптической системы; Д^зазора - погрешность изменения зазора между электромагнитом и ярмом или магнитом и обмоткой, приводит к существенному изменению необходимого тока компенсации.
На аддитивную составляющую погрешности влияют значения: ДТс - погрешность, вызванная изменением температуры окружающей среды, влияет на магнитные свойства материала сердечника электромагнита; А^вн.полей - погрешность, вызванная помехами от электрических, магнитных и других полей, - может изменить начальную настройку баланса коромысла; Мкомпенс - погрешность момента компенсации электромагнита; Д^опт.системы - погрешность от неточности срабатывания оптической системы; Д^зазора - погрешность установки зазора в уравновешивающем преобразователе.
Заключение
Предложен вариант конструкции первичного преобразователя измерителя выходных характеристик плоских спиральных пружин. Применение метода магнитоэлектрического уравновешивания при проектировании первичного преобразователя является предпочтительным в сравнении с электромагнитным, так как имеет линейную функцию преобразования и не имеет потерь тепла при перемагничивании. Предложенный вариант конструкции первичного преобразователя позволяет уменьшить влияние трения опор и подвижных элементов конструкции на процесс измерения, обеспечить возможность измерения маломоментных плоских спиральных пружин (в диапазоне от 0 до 200 • 10-7 H• M) приборостроения. Проведенный анализ линейной модели процесса преобразования информативного сигнала характеризует возможные погрешности первичного преобразователя и определяет направление их уменьшения.
Библиографический список
1. Fraden, J. Handbook of Modern Sensor / J. Fraden. - N.Y. : Springer, 2010. - 355 p.
2. Jackson, R. G. Novel Sensors and Sensing / R. G. Jackson. - L. : Institute of Physics Publishing, 2004. - 61 p.
3. Датчики : справочное пособие / под общ. ред. В. М. Шарапова, Е. С. Полищука. - М. : Техносфера, 2012 - 276 с.
4. ОСТ 1 00819 x76. Пружины спиральные плоские. Технические условия. - М., 1976.
5. А.с. № 77504 СССР: М. Кл. G O1L 3/10. Устройство для измерения момента спиральных пружин / Пурга В. Е., Гуревич Д. Л., Маторин В. Г., Петров Н. А. - заявл. 11.01.1979 ; опубл. 07.11.1980, Бюл. № 41.
6. Пат. на изобретение № 2075895 РФ, G O1L 3/10. Автоматизированный стенд контроля выходных характеристик спиральных пружин / Кравченко Н. А., Шайхутдинов Р. М., Давлетшин Э. З., Шайхутдинов А. Р. - заявл. 01.08.93 ; опубл. 20.03.1997, Бюл. № 8.
7. А.с. № 12288 СССР: Кл. 42К, 1. Устройства для измерения плоских спиральных пружин на углах закручивания / Урахчинский Н. П., Абросимов А. В., Нотариус М. Д. -заявл. 05.01.1959 ; опубл. 1960, Бюл. № 4.
8. Пат. на изобретение № 2586411 РФ: G O1L 3/10. Автоматизированный измеритель выходных характеристик спиральных пружин / Кравченко Н. А., Шекриладзе М. Д. -заявл. 10.12.2014 ; опубл. 10.06.2016, Бюл. № 16.
9. Кравченко, Н. А. Разработка и исследование принципов построения моментомера спиральных пружин / Н. А. Кравченко, М. Д. Шекриладзе // Наука. Техника. Информации - 2014 : сб. ст. Междунар. науч.-техн. конф. (25-27 марта 2014 г., г. Брянск) / под общ. ред. А. Л. Сафонова. - Брянск : НДМ, 2014. - С. 342-347.
10. Шекриладзе, М. Д. Разработка и исследование принципов построения стенда контроля выходных характеристик спиральных пружин / М. Д. Шекриладзе // Радиоэлектроника и молодежь в XXI веке : сб. материалов 17-го Междунар. молодежного форума. -Харьков : ХНУРЭ, 2013. - Т. 1. - 323 с.
11. Шекриладзе, М. Д. Автоматизированный моментомер / М. Д. Шекриладзе // Проблемы и перспективы развития наукоемкого машиностроения. XXI Туполевские чтения : материалы конф. Междунар. молодежная науч. конф. (19-21 ноября 2013 г.). - Казань : Изд-во Казан. гос. техн. ун-та, 2013. - Т. I. - 434-436 с.
12. Ковалев, М. П. Опоры приборов / М. П. Ковалев, И. М. Сивоконенко, К. Н. Явленский. -М. : Машиностроение, 1967. - 189 с.
Шекриладзе Майя Давидовна
аспирант,
Казанский национальный исследовательский
технический университет
им. А. Н. Туполева - КАИ
(Россия, г. Казань, ул. К. Маркса, 10)
E-mail: Maiechka1991@yandex.ru
Кравченко Николай Александрович
кандидат технических наук, доцент, кафедра стандартизации, сертификации и технологического менеджмента, Казанский национальный исследовательский технический университет им. А. Н. Туполева -КАИ (Россия, г. Казань, ул. К. Маркса, 10) E-mail: krav-1946@mail.ru
Галимов Фарид Мисбахович
доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой стандартизации, сертификации и технологического менеджмента, Казанский национальный исследовательский технический университет им. А. Н. Туполева - КАИ (Россия, г. Казань, ул. К. Маркса, 10) E-mail: far-galim@yandex.ru
Shekriladze Maya Davidovna
postgraduate student,
Kazan National Research Technical University
named after A. N. Tupolev
(10 Karl Marks street, Kazan, Russia)
Kravchenko Nikolay Aleksandrovich
candidate of technical sciences, associate professor,
sub-department of standardization
and certification of technology management,
Kazan National Research Technical University
named after A. N. Tupolev
(10 Karl Marks street, Kazan, Russia)
Galimov Farid Misbahovich
doctor of technical sciences, professor, head of sub-department of standardization and certification of technology management, Kazan National Research Technical University named after A. N. Tupolev (10 Karl Marks street, Kazan, Russia)
УДК 681.2.084 Шекриладзе, М. Д.
Первичный преобразователь измерителя выходных характеристик плоских спиральных пружин / М. Д. Шекриладзе, Н. А. Кравченко, Ф. М. Галимов // Измерение. Мониторинг. Управление. Контроль. - 2017. - № 1 (19). - С. 49-56.
