Содержание к диссертации
Введение
1 Обоснование целесообразности разработки базовой конструкции датчика ударной скорости 13
1.1 Применение средств измерения параметров удара твердых тел в различных отраслях науки и техники 13
1.2 Анализ способов и средств измерения параметров удара .20
1.3 Цель и задачи исследований 41
1.4 Выводы по главе 47
2 Теоретические исследования работы датчика ударной скорости 48
2.1 Обоснование базовой конструктивной схемы датчика 48 >
2.2 Математическая модель рабочего процесса датчика ударной скорости 67
2.3 Методика расчетов при проектировании упругих элементов датчика 87
2.4 Пример конструкторского расчета датчика ударной скорости 97
2.5 Выводы по главе 108
3 Экспериментальное исследование датчиков ударной скорости 110
3.1 Стенд для исследования датч иков ударной скорости 110
3.2 Результаты экспериментальных исследований датчика и оценка адекватности математической модели 117
3.3 Выводы по главе 126
4 Прикладные задачи контроля с применением датчика скорости 127
4.1 Определение ударной составляющей измерительного усилия управляющих приборов контроля 128
4.1.1 Характеристика полного измерительного усилия управляющих приборов контроля 129
4.1.2 Определение динамической составляющей измерительного усилия 132
4.1.3 Анализ точности расчета контактных напряжений и допусти мых измерительных усилий для управляющих приборов контро ля 140
4.2 Контроль параметров ударЕюго импульса в электролите 145
4.3 Выводы по главе 151
Основные результаты, выводы и рекомендации по работе 152
Библиографический список 154
Приложения 163
- Анализ способов и средств измерения параметров удара
- Математическая модель рабочего процесса датчика ударной скорости
- Результаты экспериментальных исследований датчика и оценка адекватности математической модели
- Контроль параметров ударЕюго импульса в электролите
Введение к работе
Одной из актуальных проблем современной техники является измерение параметров ударов.
Сегодня нельзя назвать практически ни одного объекта контроля или производственного процесса, который не испытывал бы воздействия ударных нагрузок — штамповка, ковка, дыропробивные работы, испытание на динамические перегрузки, выполнение работ в экстремальных условиях по разбивке и расчистке обвалов строительных и горных выработок, ликвидация последствий пожаров, землетрясений и других проявлений стихийных бедствий. Практически для большинства изделий гражданского и военного назначения необходимо предусмотреть возможные ударные воздействия, возникающие при транспортировке и эксплуатации [68].
За предыдущие годы в мировой практике разработано значительное количество ударных механизмов с энергией удара от 2 Дж до 150 КДж и частотой от 30 до 3000 ударов в минуту, предназначенных для выполнения различных технологических операций [16, 51].
Применение ударных механизмов позволяет в значительной мере повысить производительность выполняемых работ, связанных с разрушением мерзлого грунта, оснований, фундаментов, асфальтобетонных покрытий и т.д.
В последнее время в строительстве значительно увеличился объем работ, выполняемых с применением отбойных молотков и пневматических бетоноло-мов. Это обусловлено ростом количества аварийных и ремонтно-восстановительных работ, которые характеризуются небольшими объемами и значительной рассредоточенностью объектов, что вызывает необходимость использования мобильных, высокоманевренных и относительно недорогих ударных механизмов.
Широкое применение машин и механизмов ударного действия (механических, электрических, пневматических, электрогидравлических, электромеханических, электромагнитных) в строительном и горном деле, при динамических испытаниях и других отраслях народного хозяйства обусловило необходимость контроля параметров удара - энергии, скорости тел до и после удара, к.п.д. передачи энергии, ускорения, коэффициентов отскока и восстановления [66].
К средствам контроля предъявляются высокие требования по производительности и достоверности, надежности, простоте изготовления и эксплуатации, а также, что очень важно в условиях массового производства контролируемых изделий, по стоимости.
Снижение стоимости производимых измерений и выбор оптимального соотношения между точностью, производительностью и стоимостью измерений относятся к первоочередным задачам контроля параметров удара в машинах и механизмах ударного действия, требующим решения.
Вопросам создания и исследования методов и средств контроля параметров удара посвящены работы И.В. Андреева, Г.С. Батуева, Н.А. Башкирова, В.К. Вороненко, К.С. Гуркова, СИ. Доброборского, Н.В. Захаровой, В.Г. Кораблева, А.Д. Костылева, В.З. Клейменова, А.А. Осокина, В.Е. Павлова, B.C. Пеллинец, А.А. ГТерьева, Н.П. Потапова, Б.С. Ротнера, Б.Н. Стихановского и др. исследователей, проводимые в ИГД СО РАН (г. Новосибирск), ИГД им. А.А.Скочинского (г. Москва), ВНИИСтройдормаше (г. Москва), институте гидродинамики им. М.А. Лаврентьева СО РАН (г.Новосибирск), МВТУ им. Н.Э. Баумана (г. Москва), ОмГТУ (г. Омск), а также за рубежом [1-13, 16, 22, 37, 46, 51,70].
В последние годы вопросы совершенствования методов и средств измерения параметров удара рассматривались на научно-технических конференциях и семинарах «Проблемы динамики и прочности исполнительных механизмов и машин» (г.Астрахань, 2004); «Динамика систем, механизмов и машин» (г.Омск, 2004); «Современные тенденции развития автомобилестроения в России» (г.Тольятти, 2004); «Дорожно — транспортный комплекс как основа рационального природопользования» (г.Омск, 2004); «Теплофизические и технологические аспекты управления качеством в машиностроении» (г.Тольятти,2005).
Имеющиеся в настоящее время в распоряжении разработчиков, изготовителей и эксплуатационников средства контроля не удовлетворяют их в полной мере. Для существующих методов и средств контроля параметров удара характерно либо применение неудобных для серийных измерений приемов, либо проведение точных измерений, но за счет привлечения многоэлементной базы и сложной аппаратуры, либо выполнение в лабораторных условиях с продолжительным временем обработки данных, либо простота применения, но невысокая точность результатов [22].
Цель работы и задачи исследований. Цель работы заключается в совершенствовании и развитии средств измерения параметров удара.
Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих задач:
Осуществить анализ и синтез конструкции датчика ударной скорости.
Разработать математическую модель рабочего процесса предложенного датчика ударной скорости, учитывающую взаимосвязь динамики элементов магнитопровода с конструктивными параметрами датчика.
На основе анализа известных конструкций датчиков ударной скорости, используя теоретические основы механики, электротехники и теории удара, создать измерительное устройство, лишенное недостатков известных образцов.
Предложить инженерную методику расчета при проектировании элементов датчика ударной скорости.
Методы исследований выбирались исходя из постановок решаемых задач. Основные результаты диссертационной работы получены на базе фундаментальных законов и уравнений механики, электродинамики и теории удара. Поиск количественных соотношений между исследуемыми параметрами осуществлялся с помощью аналитических методов математического анализа. При
7 создании модели для анализа динамических процессов использовались методы математического моделирования и численные методы решения дифференциальных уравнений, в том числе с использованием ЭВМ. С целью проверки эффективности разработанных образцов датчика ударной скорости применены методы активного эксперимента на специальных лабораторных стендах и в производственных условиях.
Научная новизна диссертационной работы обусловлена следующими положениями:
1 Создана математическая модель рабочего процесса датчика ударной ско рости для базовой конструкции и ее вариантов, учитывающая взаимосвязь ди намических свойств элементов магнитопровода с конструктивными параметра ми датчика и механическими свойствами материала элементов.
2 Разработан алгоритм исследования работы ударного механизма датчика на ЭВМ.
На основе современной теории упруго пластического удара установлены оптимальные скорости соударения витков упругих элементов датчика, применительно к пружинам различных габаритов и скоростям разрыва магнитопровода, которые в свою очередь определяют диапазон измерения датчика.
Проведен анализ точности расчета контактных напряжений и допустимых измерительных усилий в управляющих приборах контроля и даны рекомендации по использованию датчика ударной скорости для приборов активного контроля с целью определения динамической составляющей полного измерительного усилия.
Разработано устройство для неразъемного соединения деталей с применением формирователя ударного импульса в электролите, в измерительной системе которого используется датчик ударной скорости.
Практическая ценность и реализация результатов работы заключается в следующем: обоснованы и разработаны конструкции датчиков ударной скорости, обладающие высокими мощностью выходного сигнала и качеством по показателям точности, ударозащищенностью и простотой конструкции, два из которых защищены патентами; создана программа для решения на ЭВМ задач динамики и выбора основных параметров датчика ударной скорости, зарегистрированная в фонде алгоритмов и программ; разработана инженерная методика расчета элементов датчика скорости удара, внедренная в ОАО «Научно-производственное предприятие «Эталон»; изготовлены и исследованы экспериментальные образцы датчика ударной скорости; действующий образец датчика ударной скорости используется в учебном процессе, как наглядное пособие по разделу «Индукционные датчики» курса «Измерение механических величин», а компьютерная программа и методика расчета упругих элементов может быть применена при выполнении лабораторной работы «Испытание витых цилиндрических пружин растяжения и сжатия» по курсу дисциплины «Детали машин и основы конструирования» в технических вузах; разработано и защищено патентом устройство для неразъемного соединения деталей с применением формирователя ударного импульса в электролите.
Достоверность основных теоретических положений подтверждается корректным применением соответствующего математического аппарата при выводе основополагающих зависимостей и анализе полученных выражений; теоретическими расчетами, согласующимися с результатами других авторов; проверенными математическим моделированием и экспериментальными исследованиями; апробацией результатов работы перед научной общественностью; удовлетворительным согласованием расчетных и экспериментально определенных параметров и характеристик. Основой оценки достоверности полученных ре-
9 зультатов явились экспериментальные работы по определению технических характеристик датчика.
На защиту выносятся следующие основные положения, каждое из которых обладает новизной, имеет научную и практическую ценность и направлены на решение поставленных задач: математическая и конструктивная модели датчика ударной скорости; методика расчета при проектировании элементов датчика для различных скоростей разрыва магнитопровода; результаты теоретических и экспериментальных исследований, подтверждающие эффективность и достоверность проведенных научных исследований.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы и ее отдельные результаты докладывались, обсуждались и получили одобрение на II научной конференции «Проблемы динамики и прочности исполнительных механизмов и машин» (г.Астрахань, 2004); V международной научно - технической конференции «Динамика систем, механизмов и машин» (г.Омск, 2004); всероссийской научно - технической конференции с международным участием, посвященной 30-летию кафедр «Автомобили и тракторы» и «Тепловые двигатели» «Современные тенденции развития автомобилестроения в России» (г.Тольятти, 2004); международной научно - технической конференции «До-рожно - транспортный комплекс как основа рационального природопользования», посвященной 100-летию со дня рождения доктора технических наук, профессора К.А.Артемьева (г.Омск, 2004); всероссийской научно - технической конференции с международным участием «Теплофизические и технологические аспекты управления качеством в машиностроении», посвященной 90-летию со дня рождения А.Н.Резникова (г.Тольятти, 2005).
Публикации. Основные результаты теоретических и экспериментальных исследований отражены в 15 печатных работах, в числе которых 3 патента на полезную модель и 1 программа, зарегистрированная в фонде алгоритмов и программ.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка и приложений. В целом работа содержит 194 страницы, 59 рисунков, 11 таблиц, библиографический список из 78 наименований и приложения на 32 страницах.
Во введении дано обоснование актуальности темы, сформулированы цель и задачи работы, описаны методы исследований. Приведены основные положения, выносимые на защиту, изложены сведения о научной значимости и практической ценности, реализации и апробации работы.
В первой главе выполнен анализ наиболее часто применяющихся методов и средств контроля параметров удара машин и механизмов ударного действия, показаны их недостатки, обоснована необходимость разработки средств контроля, сочетающих точность, надежность, достоверность с необходимыми в условиях массового производства и контроля изделий низкой стоимостью, простотой изготовления и эксплуатации, определена цель и сформулированы задачи научных исследований.
Во второй главе проведен выбор индукционного датчика скорости для использования в приборах контроля параметров удара машин и механизмов ударного действия и дано обоснование базовой конструктивной схемы датчика с источником питания, а также описаны конструкции и принцип действия датчика с постоянным магнитом и накладных датчиков, разработанных на основе базовой модели. Для всех моделей датчика, исходя из их конструктивных особенностей, даны рекомендации по области и условиям применения.
Дана расчетная схема и математическая модель рабочего процесса датчика, которая включает в себя все основные элементы ударного механизма и магнитной системы и представляет собой систему дифференциальных и алгебраических уравнений, решение которой возможно на ЭВМ с привлечением численных методов. С этой целью была разработана программа исследования работы ударного механизма датчика. Кроме численных значений предоставляются графики зависимости координат, скоростей, сил от времени и силы электромагнитного притяжения от зазора, которые позволяют более наглядно отобразить динамику процесса.
С целью определения геометрических размеров датчика и параметров упругих элементов, с учетом условий прочности и динамики подвижных элементов, была предложена методика и приведен пример расчета.
В третьей главе описан стенд для экспериментального исследования датчиков ударной скорости машин и обоснованы его технические характеристики. С помощью стенда была выполнена градуировка датчика и определены статические и динамические характеристики датчика скорости.
Анализ и сопоставление расчетных и экспериментальных данных подтвердили эффективность и достоверность проведенных научных исследований. Экспериментально была подтверждена адекватность математической модели.
Четвертая глава посвящена прикладным задачам контроля параметров удара. Оригинальность решения этих задач заключается в значительном расширении области использования датчика, благодаря чему возможно определе-
12 ние ударной составляющей измерительного усилия, а также контроль за состоянием процесса неразъемного гальванического соединения деталей с применением формирователя ударного импульса в электролите.
Работа выполнена в Омском государственном техническом университете.
Анализ способов и средств измерения параметров удара
Метод шариковых отпечатков. Суть метода [51] заключается в том, что в молоток вместо рабочего инструмента (пики, зубила и др.) вставляется оправка с шариковым наконечником, через которую молоток своим бойком наносит удары по стальному образцу. При этом от каждого удара на образце остается отпечаток вдавленного шарикового наконечника оправки. Затем свободно падающим грузом, равным по весу бойку ударника, через ту же оправку наносятся удары с различной высоты до тех пор, пока диаметры отпечатков от бойка испытуемого молотка и свободно падающего груза не совпадут. Энергия удара молотка определяется как произведение веса груза на высоту его сбрасывания.
Метод применим в лабораторных условиях, так как при этом обеспечивается достаточная точность измерения высоты свободно падающего груза и диаметров отпечатков. Подбор контрольной высоты падения груза значительно увеличивает время измерений.
Метод дифференцирования кривой перемещения. В соответствии с методом [16] для определения энергии удара требуется снять осциллограмму десяти последовательных циклов перемещения бойка-ударника. В каждом цикле кривой перемещения в точке удара проводится касательная, тангенс угла наклона ф которой в соответствующих масштабах будет соответствовать скорости удара (рис. 1.2.1).
Скорость удара V = AS/At. Последовательно обрабатывая осциллограммы всех снятых циклов кривой перемещения, определяют скорости удара в каждом цикле.
Средняя скорость удара находится при этом как среднееарифметическое значение для всех рассматриваемых циклов перемещениябойка: Vcp = XVi/1 Вследствие необходимости графической обработки полученных данных этим методом, значительно увеличивается время получения конечного результата.
Метод измерений посредством снятия индикаторной диаграммы. Дляопределения энергии удара этим методом [4] необходимо на шлейфовом осциллографе на пленку записать одновременно давления в верхней и нижней камерах, путь поршня-ударника и отметки времени. На снятой осциллограмме выбирают три последовательных цикла, которые увеличиваются до удобных для обработки размеров. При этом же увеличении наносятся тарировочные отметки давлений и пути. Для определения сил, действующих на поршень-ударник, строится тарировочный график (рис. 1.2.2), по оси ординат которого откладывают отметки тарировки датчиков давления, по оси абсцисс — силу (масштаб, удобный для обработки, Мр=1:250, Н/см).верхней и нижней камеры определяются следующим образом
Для определения пути строится также тарировочный график: по оси абсцисс откладывают пройденный поршнем путь (мм), а по оси ординат -отметки тарировки хода.
Построив тарировочные графики, кривые давления перестраивают в график сил, действующих на ударник, для чего через отметки времени проводят вертикальные линии. По графику сил в нижней и в верхней камерах строят график результирующей силы за один цикл. Так как при обратном ходе ударника часть энергии затрачивается на поворот бура, то разделение цикла по равенству статических моментов импульсов сил невозможно. Поэтому для определения места на графике верхней мертвой точкой положения ударника по кривой пути определяют габаритный ход поршня Ь, а по нему - статический момент импульса сил, действующих на поршень-ударник во время рабочего где Ik - суммарные импульсы сил, действующие на ударник (численное значение импульсов сил выражается площадью соответствующей фигуры под кривой результирующей силы, действующей на поршень-ударник);tk - отрезок времени, соответствующий времени прохождения расстояния от центра тяжести рассматриваемых фигур до выбранной оси, которая соответствует моменту удара поршня-ударника по инструменту;h — габаритный ход поршня;m - масса поршня-ударника.Из описания метода видно, что он требует значительных графических построений и трудоемок.
Метод индикации мерного участка пути. Рисунок 1.2.3 поясняет схему измерения скорости этим методом. На рисунке изображены боек испытуемой машины 1, рабочий инструмент 2 с контактным датчиком 3, состоящим из подвижного стержня 4 и возвратной пружины 5. Подвижный стержень выступает над торцом рабочего инструмента на величину /. В состав устройства определения скорости входят источник электрического напряжения 7, связанный с бойком 1, блок преобразования 8, частотомер 9, задатчик времени прохождения ударной волны 10, сумматор 11, определитель скорости 12, блок индикации 13 и задатчик длины мерного участка пути 14. Определение предударной скорости предполагает нахождение частного от деления длины мерного участка пути /, равного длине подвижного контакта (выступающего в исходном состоянии над торцом рабочего инструмента), на время прохождения бойком этого расстояния. В процессе измерения электрическая цепь замыкается дважды: когда боек наносит удар по подвижному стержню, в результате чего напряжение от источника через боек, подвижный стержень контактного датчика, рабочий инструмент поступает в блок преобразования, и когда боек наносит удар по рабочему инструменту и срабатывает датчик регистрации прохождения ударной волны 6, в результате чего напряжение с датчика поступает на вход блока преобразования.Дальнейшая обработка полученной информации производится системой блоков 8-14, функциональное назначение каждого из которых указывалось выше [4].
Математическая модель рабочего процесса датчика ударной скорости
Датчик ударной скорости можно представить в виде расчетной схемы, основными элементами которой являются корпус, подпружиненный пружиной с жесткостью Сі и крышка корпуса, подпружиненная пружиной с жесткостью с2 (рис.2.2.1).
За длину системы для базовой конструкции, в пределах которой происходят динамические изменения, принято расстояние между шайбой и опорным элементом, а для других модификаций это будет расстояние между внутренними стенками корпуса, расположенными перпендикулярно оси датчика. Между крышкой и корпусом датчика действует сила магнитного притяжения, обусловленная наличием магнитного поля, создаваемого постоянным магнитом или катушкой подмагничивания.
Математическое описание движения крышки и корпуса ударного механизма приводит к системе дифференциальных уравнений.
При исследовании процесса работы механизма, весь рабочий циклразбивается на основные фазы (рис.2.2.2): 1) удар бойка по измерительнойпике, приводящий к резкому увеличению скорости V2, отлету крышки т2 иразрыву магнитопровода; 2) падение скорости крышки т2 до V2=0; 3) обратноедвижение т2 под действием пружины с2 навстречу Шь4)соударение mi и m2 и мгновенная потеря части начальной кинетической энергии (удар неупругий), при этом происходит «слипание» материальных точек, а их относительная скорость после удара равна нулю, а скорость Ui.2 центра масс т\ + т2 отлична от нуля.
Тогда коэффициент восстановления к, который будет соответствовать соотношению абсолютных значений относительных скоростей тел после удара и0 и до удара V0а при U0 = 0 имеем k=0.Последняя фаза заканчивается соударением массы mi+m2 с буртиком, образованным шайбой, и полной остановкой системы.
Таким образом, с помощью математической модели можно определить период виброудара датчика. Эта необходимость возникла исходя из условия, что процесс виброудара должен быть мгновенно затухающим, чтобы не происходило наложения выходных сигналов датчика от двух последовательных ударов бойка по инструменту. Следовательно, период динамического процесса датчика должен быть короче, чем время между двумя ближайшими ударами бойка по рабочему инструменту (рис.2.2.2)где Т - период динамического процесса датчика; t - время затухания процесса удара.где пуд - частота ударов бойка по рабочему инструменту (индивидуальна длякаждого типа инструмента).
Значительное количество ударных механизмов, разработанных за предыдущие годы и предназначенных для выполнения различных операций, имеют частоту удара от 30 до 3000 ударов в минуту, т.е. диапазон периодов удара машин и механизмов ударного действия составляет от 2000 до 20 мс соответственно (табл. 2.3.1).
Перспективным направлением в выполнении таких исследований является метод математического моделирования с применением ЭВМ, позволяющийрасширить диапазон исследований, осуществить выбор рациональных параметров датчика и обосновать рекомендации для инженерного проектирования. Например, на этапе конструкторских расчетов, задаваясь значениями периода виброудара, применение этого метода позволит дать рекомендации по выбору упругих элементов датчика ударной скорости машин.
Математическую модель датчика ударной скорости составляют уравнения движения подвижных элементов — подпружиненных корпуса mi и крышки т2.
Перемещение подвижных элементов датчика, в соответствии с основным законом динамики, описывается дифференциальными уравнениями с учетом всех действующих сил, включая электромагнитную силу, действующую между mi и т2.
Для выявления особенностей влияния основных параметров датчика на его выходные показатели с целью выбора рациональных конструктивных параметров при заданных ограничениях, разработана расчетная схема датчика ударной скорости.
Основными функциональными элементами схемы являются: корпус массой mi, крышка массой т2, пружина жесткостью Cj и пружина жесткостью
При составлении математической модели были приняты следующие допущения: во время удара неударными силами трения, сопротивления, тяжести и т.д. можно пренебречь, поскольку в момент взаимодействия соударяющихся тел ударная сила на несколько порядков больше других сил. Боек рабочего инструмента, корпус и крышка датчика, а также другие соударяющиеся элементы - абсолютно жесткие.
В свободном состоянии длины пружин 1 и 2 вместе с корпусом массойmi и крышкой массой т2 составляют соответственно (рис.2.2.1 а и б)где Ь( и Ь2- длины тел массой mt и т2,
Математически опишем динамику изменения процесса, происходящую на каждой фазе работы механизма.
Первая фаза. По измерительной пике датчика ударной скорости бойком рабочего инструмента (отбойного молотка, молота, перфоратора и т.д.) наносится удар со скоростью V. При этом энергия удара
Непосредственно перед ударом бойком по измерительной пике, в момент времени tr=0, корпус mi и крышка тг образуют замкнутый магнитопровод, а начальный зазор х3о между ними обусловлен отклонением от плоскостности и наличием шероховатости контактирующих поверхностей, вследствие неточности их изготовления.
На тела mi и т2 действуют силы сжатия пружин F10, F20 и силы взаимногомагнитного притяжения тел Fe0.где С, и с2 - жесткости упругих связей Ш, и Ш2;Х10 и Х20 - длины пружин в собранном виде, т.е. когда они предварительносжаты в конструкции датчика.Расстояние между базовыми поверхностями, ограниченными стенками корпуса постоянно и определяется какДля обеспечения плотного контакта т2 с ударной пикой (волноводом)необходимо, чтобы выполнялось условие
Результаты экспериментальных исследований датчика и оценка адекватности математической модели
Следующим этапом экспериментальных исследований датчика ударной скорости после выбора схемы измерения и регистрирующей аппаратуры стала проверка функциональной работоспособности измерительно-градуированной установки. Затем была выявлена принципиальная возможность с помощью разработанных датчиков определения косвенным методом ударной скорости. При этом выходное значение ЭДС имело высокое значение без применения дорогостоящих усилителей.
Основной задачей экспериментов было определение зависимости наводимой в измерительной катушке ЭДС от предударной скорости бойка EBMx=f(V), получение градуировочной характеристики и расчет чувствительности (масштабного коэффициента). Для одной и той же высоты сбрасывания опыт повторялся 5 - 10 раз. Фиксировалось значение ЭДС и рассчитывалось среднее. Для измерений применим импульсный (двухлучевой с памятью) осциллограф С 9-8. Расчетная схема для определения ЭДС выходного сигнала представлена на рис. 3.2.1.
На рис. 3.2.2 представлена зависимость выходного сигнала датчика от скорости соударения тел E=f(V). В используемом диапазоне скоростей до 4 м/с зависимость носит практически линейный характер, иными словами датчик имеет линейную функцию преобразования. При этом погрешность от нелинейности функции преобразования не более 5%.
Чувствительность (масштабный коэффициент), исходя из анализа снятых зависимостей составляет 0,6 В-с/м.
Повторяемость значений выходного сигнала проверялась нанесением последовательно двух одинаковых ударов и фиксированием при этом их осциллограмм. По степени совпадения осциллограмм, при их наложении одна на другую, производилась оценка повторяемости выходного сигнала. Прослеживается (как видно из фотографии, представленной на рис. 3.2.3) почти 100%-ное совпадение передней, т.е. «рабочей» части ударного импульса и, только в конце ударного импульса, в его «нерабочей» части, наблюдается незначительное расхождение.
Оценка времени отклика, равного времени установления выходного сигнала в ответ на изменение измеряемой величины, проводилась на основании изучения осциллограмм ударных импульсов (как видно из фотографии, представленной на рис. 3.2.3). Отмечается практически мгновенное установление выходного сигнала в ответ на изменение входной величины.
При использовании в опытах бойков разных масс (mi=460r и т2 =280г) было выявлено, что величина выходного сигнала преобразователя зависит от массы бойка.
При ударном взаимодействии происходит мгновенное размыкание магнитной цепи, что вызывает изменение магнитного сопротивления датчика, а следовательно, и магнитного потока. При этом величина ЭДС, наводимой визмерительной катушке, 2.1) количество витков измерительной катушки;Ф = магнитный поток;F - намагничивающая сила питающей обмотки; RM — полное магнитное сопротивление.В данном случае F=const Полное магнитное сопротивление датчикагде КШ1 - магнитное сопротивление магнитопровода; R3 — магнитное сопротивление воздушных зазоров. Так как RMn s R3, то можно принять RM = R3. Магнитное сопротивление изменяется по законугде х — величина перемещения крышки корпуса;R30 - величина магнитного сопротивления воздушных зазоров при х=0;f — постоянный коэффициент, зависящий от конструкции датчика. Подставляя (3.2.3) в (3.2.1), получим- приращение магнитного сопротивления. Так как ARM «; R30, тоdx где — — скорость изменения магнитного сопротивления, то есть скорость,dt сообщаемая крышке корпуса датчика в момент удара.
Определим, как связана эта скорость с измеряемой предударной скоростью бойка.Согласно закону сохранения количества движениягде ті — масса бойка;ніг — масса датчика без измерительной пики; Vi и U2 - скорости бойка до и после удара соответственно; Ui - скорость крышки корпуса после ударного взаимодействия. Скорость бойка после удара можно можно найти из выражения для коэффициента восстановления к
С учетом выражения (3.2.8) функция преобразования индукционного датчика скорости будет иметь видВеличинапредставляет собой чувствительность преобразователя.
Полученная функция преобразования датчика учитывает влияние значений параметров элементов, входящих в его конструкцию, и позволяет определить влияние того или иного элемента на величину выходного сигнала. Таким образом, повысить чувствительность индукционного датчика можно, увеличив число витков измерительной катушки и намагничивающую силу питающей.
Из выражения (3.2.9) видно, что величина выходного сигнала преобразователя зависит от массы бойка, что и было подтверждено экспериментально.
Зависимость выходного сигнала преобразователя от массы бойка следует учитывать, например, при испытаниях отбойных молотков и перфораторов: для каждого типа ударного механизма будет своя функция преобразования.
Заключительным этапом экспериментальной части работы стало определение степени сходимости результатов практических и теоретических исследований, позволяющее дать оценку адекватности математической модели.
С этой целью, для исследуемого датчика ударной скорости с постоянным магнитом было инициируемо выполнение алгоритма расчета на основе предложенной математической модели (рис. 3.2.4). В результате были получены численные расчеты и предоставлен график зависимости скорости от времени (рис. 3.2.5).Для примера была взята скорость разрыва магнитопровода 3,7 м/с.
Контроль параметров ударЕюго импульса в электролите
При изготовлении конструкций используется способ неразъёмного соединения двух деталей, допускающий или предусматривающий нанесение на поверхность деталей оксидных покрытий с предъявлением высоких требований к точности и надежности соединения.
При гальванических покрытиях вала и внутренней поверхности втулки, посаженной на вал, зазор уменьшается и может стать нулевым. Металлические плёнки, нанесённые на контактирующие поверхности, производят в гальванической ванне, где анодом служат металлы, растворяющиеся в электролите для компенсации осаждаемого металла, а катодом — собранные детали. В результате такого процесса они могут неразъёмно соединиться осаждённым металлом [72].
Это позволяет без традиционной сварки соединять тонкостенные детали с одновременным нанесением оксидного покрытия.
Однако, при малых зазорах между поверхностями деталей заметно уменьшается количество осаждаемого металла, что приводит к соединению деталей не по всей поверхности и, следовательно, уменьшению надежности соединения, т.е уменьшению допускаемой осевой силы F и момента кручения Т. При этом сила сцепления Fc между поверхностями соединяемых деталей зависит от площади сцепления S и допускаемого напряжения на срезе [т] для материала осаждаемого металла, т.е.где г - усреднённый радиус, например, вала.
Повысить точность и надёжность соединения двух деталей с использованием гальванического покрытия двух соприкасающихся поверхностей возможно за счет того, что процесс заполнения зазора материалом интенсифицируется мощными ударными импульсами в электролите, вызванными разрядами между электродами, приводящими к расширению зазора между соединяемыми поверхностями и проталкивающими электролит с осаждаемым материалом.
На чертеже (рис. 4.2.1) изображено устройство для неразъемного соединения деталей.Устройство состоит из деталей позЛ (например, корпус, колесо и т.п.) и поз.2 (например, вал, ось и т.п.), размещенных с зазором на заданном расстоянии, емкости с электролитом поз.З и электрода поз.4, причем детали поз. 1 и 2 с электродом поз.4 образуют электрическую цепь, значение тока в которой контролируется с помощью амперметра поз.5, где электрод поз.4 служит анодом, а детали поз.1 и 2 - катодом. Между анодом и катодом действует источник постоянного напряжения поз.6.
Измерительное устройство поз.7, содержит датчики для контроля толщины и качества нанесенного электролитического слоя металла, температуры и плотности электролита и т.п.
В данной конструкции дополнительно размещен формирователь ударного импульса, состоящий из электродов поз.8, введенных через изолятор поз.9 в емкость с электролитом поз.З. Электроды поз.8 подключены к источнику импульсного тока, образованному разрядником поз. 10 и конденсаторной батареей поз. 11, заряжаемой с помощью зарядного устройства поз. 12 от источника напряжения поз.13.
Устройство для неразъемного соединения деталей работает следующим образом. В емкость с электролитом поз.З помещают детали поз.1 и 2, размещенные с зазором на заданном расстоянии, которые с электродом поз.4, образуют цепь, величину тока в которой контролируют с помощью амперметра поз.5.
При включении цепи электрод поз.4 выполняет функцию анода, а детали поз.1 и 2 - катода, образуя направленное движение ионов металла в зазор между деталями поз.1 и 2. В процессе электролиза и осаждения металла зазор между деталями поз.1 и 2 уменьшается. Контроль толщины и качества нанесенного электролитического слоя металла, температуры и плотности электролита осуществляется с помощью датчиков измерительного устройства поз.7. Электроды поз.8, введенные через изолятор поз.9 в емкость с электролитом поз.З, образуют с источником импульсного тока цепь, при включении которой происходит электрический разряд, вызывающий мощные ударные импульсы в электролите, что ведет к увеличению давления от нескольких десятков до нескольких тысяч атмосфер, в зависимости от величины ударного импульса.
Под действием ударных волн предварительный зазор между соединяемыми поверхностями деталей поз.1 и 2 кратковременно (миллисекунды) увеличивается, при этом охватываемая поверхность поз.2 сжимается, а охватывающая поверхность поз.1 - расширяется, тем самым, способствуя беспрепятственному проникновению и образованию равномерного слоя осажденного металла в месте контакта сопрягаемых поверхностей. При этом значительно увеличивается фактическая площадь сцепления S (рис.4.2.3), что приводит к увеличению допускаемой осевой силы Fa, силы сцепления Fc между поверхностями соединяемых деталей и момента кручения Т.
Устройство для неразъемного соединения деталей с применением формирователя ударных импульсов позволяет значительно увеличить фактическую площадь сцепления S за счет интенсивного и плотного заполнения пространства между микро выступам и и микровпадинами слоем осажденного металла, благодаря чему обеспечивается прочность соединения деталей поз.1 и 2.Активный контроль качества неразъёмного соединения предусматривает измерение параметров покрытия без остановки процесса электролиза.
С помощью данного устройства возможно прочно соединять детали в собранном виде, когда сварка из-за коробления и высокой температуры или посадка с натягом неприемлемы, а наличие в электролите формирователя ударного импульса значительно ускоряет процесс и улучшает качество соединения деталей за счет схватывания осаждённого металла по всей поверхности деталей.
Как видно из описания принципа действия устройства, качество неразъемного соединения деталей зависит от степени проникновения в зазор между соединяемыми деталями материала, которая, в свою очередь, пропорциональна мощности ударного импульса. Таким образом, использование датчика ударной скорости позволит осуществлять активный контроль состояния технологического процесса, а в свою очередь, и контроль качества соединения деталей.
Данное обстоятельство весьма важно, поскольку дефект соединения, обнаруженный на стадии послеоперационного контроля, уже невозможно будет исправить, и весь узел будет отправлен в неисправимый брак. При сопряжении прецизионных дорогостоящих элементов это приведет к большим материальным потерям.
