CC BY
115
УДК 528.563
В.С. Кутепов, д-р техн. наук, проф., (4872) 35-14-82 (Россия, Тула, ТулГУ)
СХЕМЫ НИЗКОЧАСТОТНЫХ СТЕНДОВ ДЛЯ ДИНАМИЧЕСКИХ ИСПЫТАНИЙ ГРАВИМЕТРОВ
Рассматриваются задачи построения низкочастотных стендов линейных перемещений для лабораторных испытаний морских гравиметров.
Ключевые слова: динамические испытания, гравиметр, систематические погрешности, надводный корабль, шарнирно-рычажный механизм.
Задача динамических испытаний гравиметров в лаборатории может быть сформулирована как уточнение и детализация его математической модели и определения путей уменьшения и возможностей учета на основе этой модели уровня инфранизких шумов в результатах наблюдений на подвижном основании. В общем случае испытания являются неотъемлемой частью технологического процесса изготовления гравиметра и подготовки его к работе в море. Динамические испытания набортных гравиметров имеют свои особенности, т.к. проводятся на стендах, имитирующих движения корабля при качке. Фактически испытания на стендах - диагностика гравиметра как средства измерения, поэтому их следует в обязательном порядке выполнять до и после натурных измерений.
Уже в конце 60-х годов перед учеными, занимающимися измерениями изменения ускорения силы тяжести на подвижном основании, возникли проблемы выделения полезного сигнала гравиметра инфранизкой частоты на фоне низкочастотных колебаний морских судов на волне. Гравиметрические наблюдения, проведенные В.О.Баграмянцем, Ю.П.Измайловым, Г.С.Марковым, Е.И.Поповым и другими исследователями, показали зависимость результатов измерений набортным гравиметром, расположенным на гиростабилизированном основании, от величины и характера инерциальных возмущений. Было установлено, что дальнейшее развитие теории и практики гравиметрических наблюдений с подвижного объекта невозможно без детального изучения поведения гравиметра в условиях инерциальных воздействий.
Потребовалось имитировать качку надводного корабля, фугоидные движения самолета, перемещения подводной лодки, которые представляют колебательные процессы с низкими частотами (0,2...0,5) Гц и значительными (до нескольких метров) перемещениями. Из-за отсутствия низкочастотного оборудования задания линейных перемещений геофизические организации, занимающиеся гравиметрией, самостоятельно и при содействии вузов начали разработку таких стендов в 1960 году. Первый динамический стенд для имитации инерциальных возмущений на море был создан в ОКБ ИФЗ АН СССР по инициативе Ю.Д. Буланже. Он получил шифр ИС-М [1].
268
Стенд представляет собой раму (вертикальный маятник), качающуюся относительно неподвижного основания. Ролик, закрепленный на конце, перемещает по двум прямолинейным направляющим горизонтальную платформу, с которой канатом через ролики связана свободно подвешенная вертикальная площадка. Горизонтальная платформа имеет синфазные с ускорениями наклоны до ±40 утл. мин. Максимальная амплитуда задаваемых гармонически изменяющихся ускорений 36 Гал с периодом от 3 до 24 с. Недостатками ИС-М являются ограниченность его динамических характеристик, малая грузоподъёмность, наличие виброускорений.
В 1964 году по заданию ИФЗ АН СССР в Тульском механическом институте разработан и введён в эксплуатацию мощный испытательный стенд ИС-ВГУ [2], предназначенный для раздельного задания синфазных вертикальных и горизонтальных линейных ускорений с амплитудой до 400 Гал и периодом от 4 до 64 с. Как и в стенде ИС-М, недостатком ИС-ВГУ являются значительные по величине высокочастотные колебания рабочего стола, так как в системе передачи движения участвуют канаты и перемещение рабочей площадки происходит по направляющим рельсам.
Несколько позже по времени аналогичный по принципу действия, но с меньшими техническими возможностями стенд линейных ускорений был введён в ГАиШ МГУ [4]. При работе этого стенда также отмечается значительный уровень вибрации, источником которой, кроме канатов в привода, являются вертикальные направляющие соответствующей платформы.
Для оценки характера и степени совместного влияния вертикальных и горизонтальных ускорений на показания морского гравиметра в 1968 году в ОКБ ИФЗ АН СССР разработан испытательный стенд ИС-ОД (стенд орбитального движения) [3]. Стенд имитирует движение центра масс надводного корабля по круговой траектории. Амплитуда движения меняется дискретно и устанавливается 0,4; 0,8; 1,2 м. Недостаток стенда невозможность изменения фазового соотношения между вертикальными и горизонтальными ускорениями, что ограничивает возможности стенда в исследовании влияния ускорений на гравиметр.
Примерно с теми же техническими возможностями во ВНИИ геофизики создан стенд «Орбита».
Принцип моделирования изменения силы тяжести при эталонировании методом наклона положен в основу единственного стенда инфранизких колебаний [4], разработанного в ГАиШ МГУ и предназначенного для воспроизведения изменения силы тяжести по гармоническому закону.
Указанные выше низкочастотные стенды размещены в научноисследовательских институтах и в силу организационных трудностей не могут быть использованы производственными организациями, а такие потребности просто необходимы.
Несмотря на технические недостатки, стенды, созданные в 1960-
269
1970 годах сыграли большую роль в развитии теории и практики изменений ускорения силы тяжести на море. Продвинулось развитие технической стороны метрологического обеспечения динамических измерений применительно к высокочувствительным приборам, работающим на подвижном основании.
В основу построения низкочастотных стендов механических воздействий могут быть положены:
- традиционная схема технологической машины с силовым приводом;
- схема с использованием силы тяжести для обеспечения колебательного движения рабочего стола;
- схема, включающая последовательное соединение движителя и направляющего механизма с рабочим столом.
В первом случае стенд представляет собой последовательно соединенные привод - передающий механизм - рабочий стол. По этой схеме построены механические вибраторы различного назначения, стенды угловых и линейных ускорений. Движение рабочего стола осуществляется за счет энергии, развиваемой силовым приводом.
Он включает двигатель (чаще всего электродвигатель), устройство, понижающее число оборотов его выходного вала (редуктор), и задающий функциональный механизм, обеспечивающий требуемый закон движения стола. В качестве привода может применяться управляемая электрогидрав-лическая следящая система, исполнительными элементами которой являются гидроцилиндры одностороннего действия.
Использование указанной схемы для реализации низкочастотных динамических стендов с большими линейными перемещениями рабочего стола вызывает трудности прямой передачи движения от задающего механизма к рабочему столу. Чтобы уменьшить размеры звеньев задающего механизма, применяют множительные механизмы. Они соединяют выход привода с рабочим столом. Используют систему гибких канатов с полиспастами, шарнирно-рычажные механизмы и др. Множительные механизмы, увеличивая перемещение выходного звена, одновременно умножают его погрешности, увеличивают влияние зазоров, приводят к вредным высокочастотным колебаниям, особенно при наличии канатов.
В стендах линейных перемещений прямолинейность траектории движения рабочего стола осуществляется с помощью направляющих. При горизонтальном движении это могут быть специально изготовленные и от-горизонтированные рельсы, при вертикальном движении - либо рельсы, либо штоки, по которым движется рабочий стол. Трудоемкость изготовления рельсов и штоков большой длины (несколько метров) очевидна. Сложны их транспортировка, установка, поддержание стабильности положения в условиях температурных градиентов, статических и динамических нагрузок. Рабочий стол горизонтального стенда, как правило, выполняется
в виде тележки, перемещающейся на катках по направляющим рельсам. На характер закона движения тележки будут влиять; негоризонтальность и непрямолинейность направляющих; биение колес и их опор; наличие радиальных зазоров в опорах, а также нестабильность этих погрешностей во времени. Отмеченное накладывает определенные ограничения на применение прямолинейных направляющих рельс в стендах горизонтальных перемещений.
Технически еще более сложно изготовить точные направляющие для вертикального движения рабочего стола. Если при горизонтальном движении боковые перемещения тележки устраняются за счет конструктивно выполненного замкнутого контакта в одном направлении катков тележки и рельс, то в случае вертикального движения замкнутый контакт тележки должен быть в двух направлениях. Это приводит к явлению заклинивания или эпизодического защемления, а как следствие - возникают рывки или высокочастотная вибрация при движении рабочего стола.
Описанная структурная схема рабочих стендов приведена на рис. 1, a. Их отличает громоздкость конструкции, большое энергопотребление, наличие вибрации вследствие большого количества поступательных соединений. Схема стенда с силовым приводом мало пригодна для создания прецизионных устройств, а также стендов, тиражируемых в нескольких экземплярах, необходимых при выполнении поверок приборов и устройств на этапе производственных и эксплуатационных испытаний. При разработке схем и конструкций таких стендов нужно стремиться к их простоте, миниатюризации, малой энергоемкости, с одновременным обеспечением максимальной амплитуды перемещения рабочего стола и минимальному уровню дополнительных помех.
Двигатель
Рис. 1. Структурные схемы низкочастотного динамического стенда
Технологичность, компактность конструкции и вместе с тем и снижение энергопотребления достигаются, если в структурной схеме на рис. 1, а ряд элементов будут объединены, обеспечена прямая передача движения от задающего механизма к рабочему столу.
Такая схема, показанная на рис. 1, б, включает последовательное соединение движителя и направляющего механизма с рабочим столом. Эта схема при управлении рабочим столом по жесткой программе требует разработки компактного задающего механизма и единого с рабочим столом направляющего механизма, осуществляющего его движение по заданной траектории. Здесь наиболее перспективным направлением представляется использование шарнирно-рычажных механизмов, вызванное стремлением отказаться от рельсовых направляющих и избавиться тем самым от дополнительных источников возмущений, связанных с ними. Такие шарнирно-рычажные механизмы назовем подвесом рабочего стола. Они могут быть свободными, когда рычаги не имеют кинематической связи между собой, и соответственно, связанными.
Шарнирно-рычажные механизмы имеют большую надежность, что обусловлено меньшим износом вращательных соединений звеньев, наличием в них трения качения. Рабочие поверхности вращательных соединений в условиях одного и того же производства могут быть изготовлены точнее, чем поступательные. Движение рабочего стола будет плавное, поскольку зона силового контакта в соединениях звеньев мала из-за небольших их относительных углов поворотов. При использовании тележки с рельсовыми направляющими опоры ее нагружены при движении по всей окружности и малейшие неточности опор приведут к вредным колебаниям. В шарнирно-рычажных механизмах отпадает необходимость в силовом замыкании соединений, снижается уровень вибрации конструкции. Техническое обслуживание вращательных соединений проще, чем поступательных, а, следовательно, повышаются надежность и стабильность характеристик подвесов при длительной эксплуатации.
С целью уменьшения энергопотребления при воспроизведении гармонического закона движения рабочего стола идеальной является схема построения низкочастотных динамических стендов на основе физического маятника, качающегося с частотой собственных колебаний и снабженного устройством, компенсирующим потери энергии на трение, деформацию звеньев и сопротивление воздуха. В качестве движущей силы используется сила тяжести. Принципиально - это схема стенда, представляющего собой шарнирный параллелограмм, у которого рабочий стол жестко установлен на шатуне, совершающем плоскопараллельное движение. Горизонтальное перемещение рабочего стола через длину маятника l m определяется как
х = !м ътфт , а период колебаний Tx = 2П/6g . Уменьшение длины lm
приводит одновременно к снижению точности закона движения и уменьшению периода колебаний.
В маятниковой схеме стенда возможна реализация гармонических колебаний практически только с одной частотой, так как изменение длины одновременно всех звеньев подвеса с высокой точностью выполнить очень сложно. Одновременно с горизонтальными перемещениями стол имеет нежелательное вертикальное движение [73].
Большие габариты маятникового стенда, невозможность задания ускорений с различными периодами исключают его использование для производственных работ. Размещение стенда требует специального, высокого помещения. Достоинства маятникового стенда можно использовать при создании стендов на основе шарнирно-рычажных подвесов. Приоритет в разработке указанных стендов принадлежит коллективу ТулГУ.
Предложено все шарнирно-рычажные подвесы рабочего стола стендов линейных перемещений разделить на три типа, чтобы отработать для каждого из них методы кинематического синтеза:
- свободные, когда между звеньями, кроме непосредственного соединения, отсутствуют кинематические связи;
- связанные, когда вводится между шарнирно-соединенными звеньями кинематическая связь с конкретной передаточной функцией;
- прямолинейно-направляющие механизмы (прямила).
Рабочий стол стенда является одним из звеньев подвеса или жестко
соединен со звеном, а поэтому кинематическое исследование подвеса касается непосредственно рабочего стола.
При создании всех типов подвесов ставится требование обеспечения горизонтальности рабочего стола в плоскопараллельном движении. Решение такой задачи кинематического синтеза должно быть получено при минимальном количестве звеньев, минимальных их линейных размерах по длине, отсутствии условий для дополнительных линейных и угловых перемещений. Должны быть воспроизведены максимально возможные амплитуды движения рабочего стола. Ограничением при работе шарнирнорычажных механизмов является угол давления в соединениях звеньев, измеряемый между вектором - силой взаимодействия звеньев и вектором их относительной скорости.
Свободный подвес, обеспечивающий движение рабочего стола в плоскости по любым траекториям, характеризуется отсутствием кинематической связи между звеньями. На рис 2 изображена схема свободного подвеса в виде двойного шарнирного параллелограмма A1B1B2A2 -B3B4C2C1 с крестовиной B1B2BзB4. Рабочий стол жестко связан со звеном С1, 0У2 и может совершать поступательное движение по любым траекториям, которые задаются его приводным механизмом.
Траектории какой-либо точки рабочего стола (например, точки С) размещаются внутри некоторой области, определяемой тремя ограничениями:
1. Отсутствием складывания параллелограмма A1B1B2A2.
2. Отсутствием складывания параллелограмма B3B4C2C1.
3. Отсутствием параллельных положений звеньев А1В1B3C1.
Шарнирно-рычажные механизмы с кинематической связью между
звеньями, осуществляющей согласованное их движение, будем называть связанными подвесами. Они, как и свободные подвесы, предназначены обеспечить движение рабочего стола стенда по заданным траекториям, сохраняя горизонтальное положение стола, то есть, выполняя функцию направляющих механизмов. Форма траектории может быть любой, она определяется видом кинематической связи.
Таким простейшим механизмом является сдвоенный шарнирнорычажный параллелограмм (см. рис. 2), у которого звенья A1B1 и B2C2 имеют кинематическую связь посредством зубчатого механизма с передаточным отношением
d ф 2
и 2,1 -
d ф
1
Зубчатый механизм исключает возможности складывания параллелограммов. Звенья A1B1 и В^1 имеют возможность совершать круговое движение. Передаточное отношение U2 1 может быть постоянной (положи-
тельной или отрицательной) или переменной величиной. При этом точка C1, а следовательно и все точки шатуна C1C2 будут описывать различные кривые. Если U2i< 0, то звенья A1B1 и В1С1 вращаться в противоположных
направлениях. При положительном передаточном отношении U21 > 0 оба звена вращаются в одном направлении. Когда «2i=const, то точка C1 мо* *
жет описывать любую кривую в круге радиусом /1 + /2.
Траектория точки C1 описывается уравнениями
7* 7*
х = /1 cos Ф1 + /2 cos ф2;
7* 7*
X = /1 sin Ф1 + /2 sin ф 2 ,
7* 7*
где /1 и /2 - длины звеньев параллелограммов; ф1, ф2 - углы поворота
звеньев; ф 2 = Ф — Ф1; Ф - угол между звеньями A1B1 и В1С1в начальном
положении, когда ф 1 = 0 .
Точки рабочего стола C1 и C2 описывают эллипсы с полуосями
a = /1* + /* и b = /1* — /2 образующими с осями х, у угол Ф / 2 . Когда
I* = /2* рабочий стол движется по прямой линии под углом Ф /2 к оси х.
Если длина одного из звеньев равна нулю, то траектория рабочего стола -окружность.
Связанные подвесы могут быть использованы как маятниковые при построении стендов горизонтальных перемещений. В таком подвесе звенья
**
A1B1, A2 B2 и B1C1,B2C1 имеют различные длины (соответственно /1 , /2) и совершают колебательное движение.
Уравнения траектории рабочего стола C1C2 имеют вид
т* т*
X = /1 sin ф1 + /2 sin ф2,
J* J*
у = 1 cos ф1 — /2 cos ф2 ;
Для того чтобы эта траектория мало отличалась от прямой, нужно выполнить условия
/1 (1 — cos ф1тах ) = ^2 (1 — cos ф2 max);
z1 = ф 2 max
z2 ф1 max
275
где Ф1тах, Ф2тах " амплитуды угловых колебаний звеньев А\В\, А2В2 и В1С1, В2С2 соответственно; 2\, 12 - числа зубьев колёс 1 и 2, закрепленных на звеньях А1В1 и В2 С2 соответственно.
При значениях Ф1тах= 30°, Ф2тах = 60° максимальное отклонение траектории рабочего стола от прямой составляет 0,33 % от амплитуды его колебаний.
Синтез стендов линейных перемещений можно упростить, если использовать спрямляющие шарнирно-рычажные механизмы (прямила), у которых одна из точек шатуна перемещается точно или приближённо в определённых пределах по прямой линии (рис.3).
Рис. 3. Схемы основных групп спрямляющих механизмов: а - Уатта; б - Робертса; в - Чебышева
В технике известно большое количество спрямляющих механизмов. С точки зрения простоты, надёжности и точности наибольший интерес представляют четырёхзвенные шарнирно-рычажные механизмы. Из-за различия аналитических зависимостей, связывающих кинематические параметры звеньев, все четырёхзвенные прямила можно разбить на три основные группы (см. рис. 3); это схемы механизмов, предложенные Уаттом, Робертсоном и Чебышевым.
Список литературы
1. Попов Е.И., Суходольский В.В. Стендовые исследования морской гравиметрической аппаратурой // Известия АН СССР. Сер. Геофизическая. 1964. № 6. С. 52-63.
2. Богородицкий Д.В., Рожков В.А., Шайденко А.Я. // Известия АН СССР. Сер. Механика машин. 1965. Вып. 5-6. С. 61-69.
3. Антонов В.Ф., Кутепов В.С. Некоторые исследования стенда орбитального движения // Известия вузов. Сер. Геофизика и аэрофотосъемка. 1973. № 2. С. 45-52.
4. Пантелеев В.Л. Основы морской гравиметрии. М.: Недра, 1983.
256 с.
V.S. Kutepov
SOME SCHEMES OF DESINGS OF LOW-FREQUENCY STENDS Problems are considered at construction of low-frequency stends of linear movings for laboratory researches sea gravimeter.
Key words: dynamic tests, gravimeter, regular errors, the surface ship, the sharnirno-level mechanism.
Получено 20.01.12
УДК. 621. 91
М.В. Ушаков, д-р техн. наук, проф., +7-903-658-83-43, пт sda@rambler.ru (Россия, Тула, ТулГУ),
А.В. Доронин, пт sda@rambler.ru, +7-910-150-55-47 (Россия, Тула, ТулГУ), П.В. Панков, магистр, +7-920-751-65-16, pankof621761 @rambler.ru (Россия, Тула, ТулГУ)
ФОРМИРОВАНИЕ ОТОБРАЖЕНИЯ СЛЕДА ИНСТРУМЕНТА ПРИ ОБРАБОТКЕ ЗАДАННОГО СЕЧЕНИЯ ВИНТОВОЙ ПОВЕРХНОСТИ ДИСКОВЫМ ИНСТРУМЕНТОМ
Рассмотрена возможность графического формирования профиля обрабатываемой поверхности.
Ключевые слова: инструмент, винтовая канавка, графоаналитический метод.
В инструментальном производстве при обработке дисковым инструментом винтовых канавок на инструментах со сложной производящей поверхностью встает задача определения их сечения - как элемент прогнозирования результатов обработки
Ориентируясь на существующие методы расчета винтовых поверхностей образованных дисковым инструментом [1, 2], можно отметить, что для разработки расчетной модели, позволяющей определить след дискового инструмента в заданном сечении, наиболее целесообразно использовать теоретическую расчетную модель, изложенную в [1, 2, 3]. В этом случае след инструмента в трехмерном пространстве определяется параметрическим уравнением, зависящих от трех независимых параметров.
'х =
< у = (1)
^ = f3(za,t,v)
277
