Содержание к диссертации
Введение
1. Принципы физического моделирования и анализ средств триботехнических испытаний конструкционных материалов и смазочных сред 12
1.1. Методические приемы физического моделирования триботехнических испытаний 13
1.1.1. Основные триботехнические свойства, их критерии и показатели 15
1.1.2. Критерии физического моделирования 16
1.1.3. Принципы и допущения физического моделирования 19
1.1.4. Основные требования и методические приемы повышения достоверности и воспроизводимости результатов испытаний 20
1.2. А нал из схем и конструкций средств триботехЕїических испытаний. 25
1.2.1. Принципы построения и работы средств испытаний 33
1.2.2. Испытательные камеры 37
1.2.3. Приводы главного движения контртела 39
1.2.4. Системы погружения испытуемого трибосопряжения . 40
1.2.5. Системы циркуляции, фильтрации и терморегуляции испытуемой смазочной среды 42
1.2.6. Системы управления 45
1.2.7. Метрологическое обеспечение 46
1.3. Задачи настоящей диссертационной работы 54
Выводы по главе 55
2. Разработка автоматизированного комплекса и методик триботехнических испытаний конструкционных материалов и смазочных сред в статическом и динамическом режимах 56
2.1.Обоснование принципиальной схемы и разработка
конструкции автоматизированного комплекса 56
2.1.1. Испытательная камера. .61
2.1.2. Привод главного движения контртела 64
2.1.3. Система нагруженияі испытуемого трибосопряжепия 70
2.1.4. Система циркуляции, фильтрации и терморегуляции смазочной среды . 15
2.1.5. Система управления 79
2.1.6. Метрологическое обеспечение 82
2.2.Принцип действия автоматизированного комплекса 93
2.3.Методика проведения триботехннческих испытаний на автоматизированном комплексе в статическом и динамическом режимах 95
2.3.1. Статический режим нагружения 96
2.3.2. Динамический режим погружения 99
2.3.3. Анализ результатов статических испытаний и апробация методики триботехпических испытаний на автоматизированном комплексе 101
Выводы по главе 106
3. Описание динамики и построение моделей физического автоматизированного комплекса 107
3.1. Математическая модель и исследование привода главного движения 108
3.2.Математичеекая модель и исследование системы иагружения 115
Выводы по главе 126
4. Теоретическое исследование математической модели автоматизированного комплекса 127
4.1. Исследование работы системы "ЭДПТ—упругий элемент" 128
4.2. Исследование работы системы "упругий элемент— исполнительный орган" 134
4.3. Исследование частотных характеристик. . 140
Выводы по главе 143
Заключение 144
Библиографический список литературы 145
Приложения 155
- Основные требования и методические приемы повышения достоверности и воспроизводимости результатов испытаний
- Системы циркуляции, фильтрации и терморегуляции испытуемой смазочной среды
- Анализ результатов статических испытаний и апробация методики триботехпических испытаний на автоматизированном комплексе
- Исследование работы системы "упругий элемент— исполнительный орган"
Введение к работе
Проблемы трения и износа исследуются уже на протяжении нескольких столетий. В последние годы внимание к ним заметно возросло в связи с интенсификацией производственных процессов, опасностью энергетического кризиса и истощением материальных ресурсов [7, II, 14, 22, 38, 50, 57, 59]. Значительный вклад в решение этих проблем внесли советские ученые (Крагель-ский И. В., Хрущев М. Л/., ЧичюшдзеА. В., Кершенбаум В. С, Гаркунов Д. Н., Кузнецов В.Д., Ребиндер П. А., Решетов Д. Н., Свириденок А. И., Буше Н. А., Виноградов Ю. М., Буяновский И. А., Браун Э.Д., Гинзбург А. Г.).
Сегодня возрастающий интерес к изучению трения в узлах техники определяется двумя важными тенденциями: во-первых, стремлением к упрощению или даже отказу от ряда традиционных механических систем с соответствующим уменьшением числа узлов трения в их конструкции и, во-вторых, непрерывным повышением требований к машинам и механизмам [26].
Первая тенденция отчетливо проявляется в отказе от механических систем, например при распределении энергии, вырабатываемой первичным двигателем, а также при регулировании режима работы машин и механизмов.
Вторая тенденция обусловлена главным образом расширением области применения машин, а также стремлением всячески повысить их эффективность и надежность. Интенсивный переход к более тяжелым и необычным условиям эксплуатации технических устройств в сочетании с ростом их стоимости и ответственности выполняемой задачи неизбежно приводит к ситуации, когда новая машина, работая в напряженных и малоизученных условиях, должны, тем не менее, обеспечить исключительно высокую надежность.
Это в полной мере относится к узлам трения, поскольку 85...99% всех деталей машин выходит из строя из-за износа [42, 71], а расходы на их восстановление огромны, причем они ежегодно возрастают и составляют 30...40% стоимости новой машины [72].
Проблема надежности и долговечности машин может решаться двумя путями [50]. Первый состоит в установлении факторов, способствующих изно-
су, выявлении важнейших из них и разработке мер по уменьшению их влияния. Этот путь наиболее сложен, так как нельзя предвидеть и учесть всех тех условий, в которых будет эксплуатироваться машина. "Аргументы, от которых зависит износ, случайны. При этом возможны любые сочетания аргументов... нет никакой возможности предсказать, как будет развиваться процесс изнашивания в каждом отдельном случае. И не потому, что мы этого сегодня еи(е не умеем, а потому, что это в принципе невозможно" [27].
Опираясь на теорию Крагельского И. В., можно решить проблему отработки новых машин на долговечность, используя второй путь, который состоит в более полном выявлении возможньех резервов повышения долговечности и выборе эффективных из них посредством целенаправленного эксперимента. Здесь эффективность контроля триботехнических характеристик определяется применением средств, методов и методик, позволяющих за короткое время получать всестороннюю оценку показателей трения и изнашивания не только в статических условиях, которые в большинстве случаев не применимы для существующих узлов трения, но и динамических, эмитирующих реальные условия эксплуатации. Вследствие этого одним из важнейших принципов организации и постановки эксперимента является комплексный подход, позволяющий оценивать в совокупности все факторы, влияющие на результаты эксперимента с учетом уже полученных результатов.
Однако необходимо помнить, что на сегодняшний день до сих пор не решена проблема сопоставимости результатов испытаний, полученных при помощи различных средств испытаний на трение и износ, реализующих одни и те же схемы трения. Иногда расхождение может достигать 100%, что превращает результаты испытаний в заведомо ложную информацию.
Следовательно, основное требование, предъявляемое к современным триботехническим средствам испытания — это возможность управлять условиями проведения экспериментов для обеспечения максимально возможного подобия {геометрического, кинематического и динамическое) режимов работы реальной машины. Такие средства испытания позволят получить, в одних слу-
7 чаях, уточненные данные по триботехническим свойствам для статических режимов работы узла трения, а в других — получить совершенно новые данные, характеризующие поведение конструкционных материалов и смазочных сред в условиях, максимально приближенным к реальным.
Из вышеизложенного следует, что оптимально организованный цикл лабораторных испытаний с использованием современного исследовательского оборудования, позволяющего моделировать условия работы конкретньгх пар трения, не только ускоряет исследовательский процесс» но и позволяет получать значительный экономический эффект.
Целью настоящей работы является создание и исследование автоматизи-роваЕШОГО комплекса для триботехнических испытаний конструкционных материалов и смазочных сред в статическом и динамическом режимах. На комплексе должны воспроизводиться законы функционирования реальных узлов трения с учетом геометрического, кинематического и динамического подобия.
Диссертация состоит из: введения, четырех глав, заключения, библиографического списка использованной литературы и приложения.
Во введении отмечается необходимость в создании триботехнических средств испытания конструкционных материалов и смазочных сред, обладающих высокой сопоставимостью результатов испытаний и способных воспроизводить реальные условия функционирования пар трения машин {статические и динамические) с целью повышения их надежности и долговечности.
В первой главе описаны основные триботехнические свойства, их критерии и показатели. Приведен анализ принципов физического моделирования с точки зрения получения максимальной точности воспроизведения результатов испытаний на разных режимах. Также здесь произведен анализ принципиальных схем и принципов построения существующих средств испытаний. Особое внимание уделено анализу метрологического обеспечения. Формулируются задачи настоящей работы.
Во второй главе обоснована принципиальная схема и конструкция АК для триботехнических испытаний конструкционных материалов и смазочных сред в
8 статическом и динамическом режимах, описывается принцип его действия. Описана разработанная методика и результаты проведения триботехнических испытаний в статическом и динамическом режимах, позволяющая определять основные триботехнические свойства непрерывно за один цикл испытания.
В третьей главе разработаны и описаны физическая и математическая модели АК, отображающие динамику его работы на различных режимах на-гружения исполнительного органа.
В четвертой главе выполнено теоретическое исследование математической модели АК с точки зрения возможности увеличения точности приложения нагрузки на исполнительный орган в требуемом его угловом положении при сохранении требуемого закона изменения угловой скорости вращения. Предложены соответствующие рекомендации.
В заключении приведены общие результаты выполненной работы.
В приложении приводятся копии патентов РФ на автоматизированный комплекс и рабочей камеры машины трения, тексты программ для моделирования режимов работы АК на ЭВМ, акт о внедрении АК в Центре исследования новых материалов и покрытий ФГНУНИИЯФ и копия лицензионного соглашения с ФГНУ НИИ ЯФ на право производства и оказание услуг на АК.
На защиту выносятся следующие основные положения:
схемное решение и конструкі{ия АК для триботехнических испытаний конструкгцюнных материалов и смазочных сред в статическом и динамическом режимах;
методика определения основных триботехнических характеристик конструкционных материалов и смазочных сред в статическом и динамическом режимах на АК;
физическая и математическая модели АК;
- результаты теоретического исследования математической модели АК.
В дальнейшем в работе используются следующие основные обозначения:
Тпер — пересчетное значение температуры окружающей среды, К; Тф0 — фактическое значение температуры окружающей среды, К;
ehd —угловая скорость вала ЭДПТ, рад/с;
I— сила тока в tfemi якоря, А;
R„ — полное сопротивление якорной цепи, Ом;
R& — добавочное сопротивление в цепи якоря, Ом;
к — конструктивный коэффициент ЭДПТ;
Ф —магнитный поток ЭДПТ, Вб;
М-ж — вращающий момент ЭДПТ, Нм;
Roe — общее сопротивление статарной цепи, Ом;
Re — внутреннее сопротивление статорной, Ом;
Ua — внутренне напряжение в статоре, В;
Vo — исходный объем рабочей жидкости, м;
Ртао Рраб—максимальное и рабочее давления в системе погружения, Па;
Д-ж — кооффгщиент сжимаемости рабочей жидкости, Па'1;
VpVa — объемы соответственно рабочей жидкости и воздуха в системе погружения при атмосферном давлении Ра, мг;
Р, — давление рабочей жидкости в системе погружения в некоторый момент времени, Па;
Рейс — давление в системе. Па;
Рея — давление в сливной магистрали системы погружения, Па;
fit /2 — площади левого и правого рабочих окон дроссеїирующего гидрораспределителя СКЗ-211, м2;
Рни Рн2 — давления настройки подпорного клапана в системе нагруже-ния, Па;
fyp — площадь уравновегиивающего дросселя, м;
ирао — рабочее напряжение на дросселирующем гидрораспределителе СКЗ-211 для линейной зоны, В;
ІІгр — напряжение на дросселирующем гидрораспределителе СКЗ-211, В;
Qeuc —расход рабочей жидкости в системе, м /с;
Qki —расход смазочной среды через клапан, м /с;
0,0.0 — начальный расход смазочной среды через клапан, м /с;
10 Qcuc.0 - начальный расход рабочей жтдкости в системе,
Рсисо — начальное давление в системе, Па;
Рк.т.0 — начальное давление настройки клапана, Па;
f^t — площадь дросселирующего отверстия в клапане системы циркуляции, фильтрации и терморегуляции, м ;
Гси - температура смазочной среды, поступающей в камеру трения, К;
Сеч — теплоемкость испытуемой смазочной среды, Дзк/К;
Тем —удельный вес испытуемой смазочной среды, Н/м ;
w — расход испытуемой смазочной среды, м /с;
Fmp— сила трения, Н;
SK — номинальная площадь контакта элементов пары трения, м ;
Лет, кат - теплопроводность материалов контртеїа и колодки, Вт/м -К;
Ккт, ті ~ коэффициент теплопроводности материалов контртела и колодки;
Giem. ко.% ~ коэффициенты теплоотдачи материала контртела и материала колодки, Вт/м -К;
и — периметр теплоотдающей поверхности, .и;
ат — коэффициент теплоотдачи, Вт/л^-К;
Sox—площадь поверхности, на которой происходит теплообмен, м ;
Тю Тер — температура поверхности контртела и испытуемой среды, К;
т— время охлаждения, с;
С — коэффициент, учитывающий условия обтекания пары трения испытуемой смазочной средой;
т, п, у — степенные показатели;
1Х — характерный размер по направлению течения испытуемой среды, м;
Лц, — коэффигщент теплопроводности испытуемой смазочной среды, Вт/м -К;
V- кинематический коэффициент вязкости испытуемой среды, м /с;
ип ~ скорость потока, м/с;
[$р— коэффициент объемного расширения смазочной среды, I/K;
Gyfd — модуль упругости на сдвиг. Па;
Мкр — крутящий момент на исполнительном органе, Нм;
е—расстояние центра тяжести от оси упругого элемента, .и;
г — прогиб упругого элемента под действием центробеэнтой силы, .и;.
/Яр, — масса упругого элемента, кг;
а)уЭ —угловая скорость вращения упругого элемента, рад/с;
у— прогиб вала в среднем сечении под действием единичной силы, м/Н;
S- коэффициент учета демпфирующих сил;
Gyy — вес упругого элемента, Н;
Еуз — модуль упругости материала упругого элемента, Па;
Jy, — момент инерции поперечного сечения упруго элемента, м4;
Fyj —радиус поперечного сечения упругого элемента, м;
"max- максимальная рабочая скорость вращения, с1;
Є& — максимальная деформация^ рад;
щ — деформация при наибольшей ширине петли гистерезиса, рад.
S„p — площадь поперечного сечения проводника, м2;
РЭд~ мощность на валу ЭДИТ, Вт;
Рыо — мощность на исполнительном органе, Вт;
АР- потери мощности в механических звеньях, Вт;
Неуказанные в основных обозначениях величины пояснены в тексте.
Основные требования и методические приемы повышения достоверности и воспроизводимости результатов испытаний
При моделирующих испытаниях образцы трения необходимо выполнять с соблюдением подобия соответствующим деталям исследуемого натурного сопряжения. Скорость скольжения при испытаниях чаще всего принимают равной скорости скольжения натурного сопряжения, смазочная среда — та же, что используется для исследуемого натурного узла.
Также важно геометрическое подобие, которое не должно быть аффинным. Например, натурное трение сопряжения "вал-подшипник" может быть смоделировано при испытаниях по схеме "палец - диск". Однако трение двух плоских поверхностей отличается от трения цилиндрических поверхностей менее благоприятными условиями для образования гидродинамического масляного клина в зазоре трущихся поверхностей, отличаются при этом условия самоустановки неподвижного образца на поверхности трения подвижного, что в целом приводит к существенным различиям в результатах испытаний [11].
Кроме вида относительного перемещения при триботехнических испытаниях воспроизводят то или иное значение коэффициента взаимного перекрытия. При моделирующих испытаниях выдерживают значение Kej, соответствующее натурному сопряжению. Это способствует, в частности, сохранению соотношения между скоростями изнашивания сопряженных образцов, условий проникновения окружающей среды в зону контакта и тепловых условий.
Степень ускорения испытаний снижается с увеличением поверхности трения образцов и возрастает с увеличением их удельной поверхности. Минимальные размеры ограничены: условием самоустаиовки, влиянием масштабного фактора и краевых эффектов.
К„ оказывает влияние на триботехнические свойства в основном через изменение условий рассеивания генерируемого при трении тепла [45]. При К&&1 тепло от зоны трения распространяется вначале в глубь образцов трения и затем к их боковым поверхностям, с которых рассеивается в окружающее пространство. При КЯ1яЮ большая часть тепла распространяется в окружающую среду. При этом поверхностные слои могут нагреваться очень слабо. В случае самоустановки образцов создаются более благоприятные условия для формирования гидродинамической смазки, чем без нее. С этой целью используется установка на сферические или пальчиковые опоры.
Размеры испытуемых образцов ограничены следующим: - возможностями привода и системы погружения установки обеспечить достаточно большие усилия для воспроизведения максимальных задаваемых давлений и для осугцествления врагцения при достаточно больших значениях момента трения; - ростом продолжительности фрищионного прогрева и, следовательно, продолжительности испытаний при увеличении размеров образцов; - снижением степени ускорения испытаний при увеличении размеров образцов по отношению к натурному сопряжению. При подготовке к испытаниям образец и (или) контробразец с помощью специального инструмента, обрабатывают таким образом, чтобы поверхность взаимного прилегания образцов и контробразца при установке на испытательном стенде составляла не менее 90% от номинальной расчетной поверхности контакта. Контроль прилегания осуществляют визуально по пятну контакта. Перед испытаниями для обеспечения прилегания взаимно трущихся образцов осуществляют предварительную приработку при обильном смазывании, нагрузке, меньшей, чем используемая в дальнейшем при испытаниях, и при достаточно малой скорости скольжения, не приводящей к существенному фрикционному разогреву. 1Л .4. Основные требования и методические приемы повышения достоверности и воспроизводимости результатов испытаний Общим требованием получения достоверных и воспроизводимых результатов в данной работе являлось строгое и точное воспроизведение, а также поддержание в процессе испытаний всех контролируемых условий и режимов трения. Перечень контролируемых параметров должен быть необходимым и достаточным для достижения требуемой степени приближения моделирующих испытаний к реальмым условиям функционирования узлов трения. а) Результаты испытаний должны определяться внешними и внутренними вашм&шршшмші&осііошежьі.. К внешним характеристикам необходимо отнести действующие усилия, скорости скольжения, параметры окружающей среды и условия тепло-отвода с испытываемых образцов. Среди характеристик среды выделяются положительные факторы {такие, например, как смазочная способность) и отрицательные {как, например, ее химическая и абразивная агрессивность). К внутренним факторам, являющимися откликом трибосистемы на заданный набор внешних параметров, кроме силы трения, скорости изнашивания и температуры фрикционного разогрева будем относить: - площадь фактической поверхности контакта; - контактные давления и их распределение по поверхности во времени; - распределение по поверхности и во времени видов смазки; - соотношение между упругим и пластическим деформированием на дискретном контакте и др. б) Результаты испытаний не должны зависеть от жесткости испытатель ных узлов, и их жсплуатациопныххарактерцстик. Так, та »е нагрузка, обеспечиваемая нагружателями разной жесткости, может привести к разным результатам. Жесткость испытательной системы должна быть учтена при приведении результатов испытаний. Тангенциальная жесткость обусловлена используемым датчиком измерения момента трения. Стремление повысить чувствительность измерений связано со снижением тангенциальной жесткости, что сказьгаается на результатах. Здесь действует принцип неопределенности: аппаратурные методы точного измерения силы трения оказывают влияние на саму измеряемую величину. в) Поверхности трения испытываемъгх„тел должны быть конформными. С целью снижения биений по рабочей поверхности вращающегося образца и для обеспечения конформности цилиндрическим колодкам ее перед испытаниями необходимо притирать к рабочей поверхности специальными шероховатыми рабочими притирами — роликами. г) При триботелнических испытаниях параметры условий режима трепня при отсутствии конкретных норм на них должны выбираются конвеициально. То есть, параметры режима трения выбираются на основе предварительной оговоречности их в методике испытаний и указания на них при проведении триботехнических испытаний. В данном случае значение этих параметров целесообразно назначать в диапазоне малой чувствительности к ним.
Системы циркуляции, фильтрации и терморегуляции испытуемой смазочной среды
Практически во всех серийно выпускаемых средствах триботехнических испытаний отсутствуют системы циркуляции, фильтрации и терморегуляции испытываемой смазочной среды. Однако в большинстве случае именно такие системы призваны обеспечивать и поддерживать на стабильном уровне безотказную и долговечную работу существующих машин и механизмов.
Во-первых это обстоятельство объясняется тем, что в процессе работы машины неизбежен износ узлов трения. Следствием этого является насыщение продуктами износа смазочной среды, что приводит к нарушению нормального режима работы и потере работоспособности узла трения.
Поэтому, в конструкции большинства существующих машин предусматриваются системы: циркуляции смазочной среды — для удаления возникающих в процессе работы узлов трения продуктов износа и создания избыточного давления смазочной среды; фильтрагаш - для исключения повторного попадания продуктов износа в зону трения.
Во-вторых, в процессе трения происходит выделения тепла, недостаточное поглощение которого приводит к потере несущей способности трибо-сопряжений и, как следствие, преждевременному выходу из строя машины. Обьясїіяется этот тем, что существует оптимальная температура, при которой конструкционные материалы обладают наивысшей износостойкостью. В качестве устройств, обеспечивающих циркуляцию под избыточным давление смазочной среды, применяют роторные гидронасосы, предназначен 43 ные для создания потока путем преобразования механической энергии в гидравлическую, из которых наиболее широко распространены шестеренные гидронасосы. Их преимущества заключаются в простоте конструкции, компактности, малой стоимости и надежности в эксплуатации. Они допускают кратковременные перегрузки и менее чувствительны к низким температурам. К недостаткам шестеренных гидронасосов можно отнести: значительный шум, чувствительность к перегреву, малый объемный КПД при высоких температурах (выше +100 С), пульсацию потока смазочной среды, недостаточную долговечнсстъ при повышенном давлении. Для очистки смазочной среды от механических примесей применяют различные фильтрующие системы, рабочими элементами которых являются очистители. Нарис. 1.9 приведена классификация очистителей [10]. Наибольшее распространение в связи - с простотой конструкции, удобством эксплуатации и возможностью многократного использования получили очистители механического действия с сетчатым и бумажным фил ьтроэ лементами. Широко применяются магнитные очистители, гравитационная очистка с периодическим сливом отстоя, реже используются центробежные очистители. В идеальном случае следует применять каскадную очистку с использованием последовательно ус 44 тановленных очистителей, начиная с грубой до самой мелкой очистки [10]. Это позволит существенно повысить долговечность машин. Основным вн утренним источником тепла в триботехнике выступает трение. В случае, когда необходимая температура разогрева смазочной среды не являются удовлетворительными, используют внешние источники тепла. Для охлаждения смазочной среды в основном применяют две широко распространенные системы: охлаждение в радиаторе обуваемым потоком воздуха; охлаждение в радиаторе охлаждаемым потоком жидкости. Система, представленная нарис. 1.10, широко распространена. Остановка насоса / практически сводит на нет возможность теплоотдачи, в то время как остановка вентилятора уменьшает ее примерно на 25%. При использовании этого способа обеспечивается хорошее смешение всей массы масла и равномерное распределение температур, поэтому допустима непродолжительная остановка вентилятора, если температура масла возрастает на несколько градусов. Принцип действия второй системы терморегуляции представлен нарис. 1.11. Отличается от предыдущей тем, что вместо воздуха в качестве охладителя используется вода. Благодаря применению жидкости в качестве охладителя размеры установки уменьшаются, но не всегда имеется достаточное количество воды, и эта система применяется реже. 1.2.6. Системы управления Для обеспечения целей данной работы системы управления АК должна позволять управлять ходом эксперимента, регистрировать и обрабатывать информацию в реальном масштабе времени, проводить компьютерный анализ результатов, представлять их в удобном виде.
Для обеспечения процессов управления, сбора и обработки получаемой информации программное обеспечение должно позволять перед началом испытания настраивать систему управлетш и сбора информации; в ходе испытаний управлять регулируемыми параметрами (скоростью вращения привода главного движения, величиной нормальной нагрузки на трибосопряжение), задавать постоянное значение параметра или закон его изменения во времени; регистрировать информацию, получаемую с измерительных приборов в памяти компьютера; отображать на экране дисплея текущие значения параметров управления и измерения; останавливать машину по требованию исследователя или при достижении максимально допустимого момента трения автоматически изменять регулируемые параметры или производить прекращение эксперимента; оперативно перестраиваться для решения конкретных задач.
В настоящее время системы сбора, обработки сигналов и управления, построенные на базе IBM PC совместимых компьютеров все шире используются для автоматизации различных отраслей промышленности и транспорта. В общем случае любая подобная система состоит из аппаратной и программной частей.
Аппаратная часть представляет собой контроллер, отдельно расположенный либо встраиваемый в шину персонального компьютера. В последнем случае встраиваемый контроллер является оптимальным вариантом, поскольку позволяет минимизировать место, занимаемые системой управления.
Анализ результатов статических испытаний и апробация методики триботехпических испытаний на автоматизированном комплексе
Все важнейп ие характеристики искусственной термопары {величина сигнала, чувствительность, диапазон измеряемых температур, стабильность показаний и др.), зависят от свойств материалов проводников. Для изготовления применяют различные материалы, однако целесообразно использовать лишь определенные из них, удовлетворяющие следующим требованиям [45]: - термо-ЭДС сплава должна быть большой, для того чтобы ее можно было измерить с нужной точностью; она должна быть непрерывной и одиозна той (желательно линейной) функцией температуры; - температура плавления или размягчения сплава должна быть выше, чем температура поверхности, которую измеряет термопара; - термоэлектродные сплавы, особенно для длительно работающих термопар, должны быть коррозионно-стойкими; - сплавы термопары в прогрессе эксплуатации и градуировки должны сохранять свои характеристики неизменными; - материалы, из которых изготавливают термопары, должны быть достаточно прочными и пластичными. Широкое распространение получили закладные термопары ірис. 1.14 в), поскольку измерительная информация поступает от спая, размеры которого могут быть очень магыми. Это обеспечивает высокое быстродействие и позволяет проводить точечные измерения температуры. Их применяют как для измерения локальной температуры одной точки внутри твердого тела, так и для одновременного измерения температуры нескольких точек [7, 45, 69].
Э.д.с. термопары в широком диапазоне температур является нелинейной функцией, которая выражается полиномом. Для термопары каждого типа существует стандарт, в котором приводится таблица значений э. д. с.
Диапазон температур, в котором применима термопара, ограничивается при низких температурах снижением термоэлекторнческои способности, а при высоких температурах — опасностью проникновения примесей из внешней среды, испарения одього из компонентов сплава термопары, роста кристаллических зерен, плавление одного из проводников. Нарис. LIS представлены характеристики распространенных термопар, сравнивая которые можно сделать заключение об оптимальности свойств хро-мель-алюмелевой термопары. Это объясняется достаточно высокой термоэлектрической способностью, имеющей наименьшее колебание в рассматриваемом диапазоне темперагур (до 500 С), характеристика которой близка к линейной. Измерение момента трения, по сути, сводится к определению крутящего момента. Классификация устройств для измерения момента трения по принципу работы согласно [30] представлена нарис. 1.16. Наиболее целесообразно использование измерительных приборов торсионного класса, поскольку они позволяют обеспечить высокую стабильность и точность измерений в сочетании с возможностью бесступенчатого измерения при низкой себестоимости и малых габаритах применяемых датчиков. Поэтому в данной работе рассматривались приборы именно этого класса. Их широкое развитие стало возможным лишь с появлением и развитием техники измерении неэлектрических величин электрическими методами. В отличие от рассмотренных выше динамометров измерение момента торсионными приборами не связано ни с преобразованием вида энергии, ни с отбором мощности на другой иал. В торсионных приборах измерение крутящего момента сводится к определению величины деформации упругого элемента, расположенного в цепи передачи момента. Здесь измеряется угол закручивания упругого элемента между двумя выбранными его сечениями. К достоинствам торсионных приборов относится простота конструкции, высокая точность и стабильность измерений, отсутствие различного рода потерь, возможность изменения динамических моментов, как при вращательном, так и при возвратно-вращательном движениях исполнительного органа. Основным их недостатком является зависимость точности измерений от угла закручивания упругого элемента. Увеличение угла закручивания приводит к увеличению габаритных размеров и снижению критических частот вращения. Особый интерес представляют крутильные торсиометры, из которых наиболее распространены и многогранны электрические крутильные торсио-метры. Объясняется это возможностью полной автоматизации процесса измерений, высокой точностью, стабильностью и взаимозаменяемостью регистрирующих элементов. С точки зрения конструкции, влияния центробежных сил, окружающей среды и передачи измерительной информации весьма существенно место установки датчиков - на валу или вне вращающегося вала. Приборы второй группы часто называют бесконтактными торсиометра-ми, поскольку измерение момента здесь производится без прямого контакта с вращающимся валом, поэтому на сегодня они наиболее сильно развиваются. Из-за таких недостатков как сложность конструкции и измерительной схемы, высокой стоимости, нелинейности характеристики, трудности измерений в переходных режимах и пока еще недостаточно высокой точности в данной работе предпочтение отдано крутильным торсиометрам. Наибольший интерес представляют собой приборы индуктивного и емкостного методов измерения момента. В индуктивных преобразователях, в результате закручивания упругого элемента происходит изменение зазора в магнитной системе, что приводит к изменению индуктивности. В емкостных преобразователям происходит изменение емкостей конденсаторов.
Исследование работы системы "упругий элемент— исполнительный орган"
На выходной конец приводного вала 6 устанавливают ролик 7, выполненный из диэлектрического конструкционного материала с малыми коэффициентами теплового расширения и теплопроводности, на который насаживают контробразец 10 и закрепляют гайкой 8 через пружинную шайбу 9. На цилиндрические штифты в самоустанавливающиеся шаровые опоры 14 и 15, свободно вращающиеся и перемещаюыщеся в П-образных направляющих 16 и 17, устанавливают колодки 18 и 19. Затем производят герметизацию испытательной камеры при помощи иллюминагора 28. Напорное отверстие Д и сливное отверстие Е соединяют с источником циркуляции смазочной среды и осуществляют ее подачу в камеру под необходимым давлением, величина которого не должна превышать 10 Па. При этом для устранения утечек в окружающую среду используется торцевое уплотнение //. Далее производят включение электродвигателя привода главного движения, осуществляя тем самым вращение вала б и, соответственно, контробразца 10. Нагружение колодок 18 и 19 осуществляют при помощи элемента сер во гидроавтоматики (не показан) создавая тем самым избыточное давление нагружения и разгружения в полостях А, Би В, /"гидроцилиндров 12 и 13. Разница этих давлений передается на самоустанавливающиеся шаровые опоры 14 и 15, а ее величина определяется по показаниям манометров 24 и 28 или датчика разницы динамических давлений 24. При испытании регистрацию суммарного линейного износа испытуемого трибосопряжения производят по датчикам линейных перемещений 20 и 21.
Осуществление крепления контробразца 10 за счет конических посадок обеспечивает передачу вращательного движения без проскальзывания и минимальное радиальное биение в трибосопряжении. Вертикальное компоновка испытательной камеры позволяет производить быструю переналадку и визуально наблюдать за процессом трения через прозрачный иллюминатор 28. За счет касательной подачи к внутренней цилиндрической поверхности блока нагружения 2 смазочной среды в камеру происходит возникновение вихревого потока, которым захватываются абразивные частицы износа и удаляются вместе со смазочной средой из камеры по нисходящему конусно-винтовому каналу. Конусность винтового канала способствует отжатию абразивных частиц износа от стенки корпуса 1, к которой она стремится прижаться под действием центробежной силы. Благодаря этому абразивные частицы износа подвержены меньшему воздействию центробежной силы, способствуя тем самым их беспрепятственному удалению из внутренней полости испытательной камеры. Использование гидроцилиндров 12 и 13 двухстороннего действия, при объединении полостей нагружения А, В с полостями разгружения В и Г через регулируемый дроссель 27, в качестве исполнительных элементов блока нагружения 2 позволяет осуществить усиление и передачу гидравлического сигнала нагружения испытуемого трибосопряжения. Самоустанавливающиеся шаровые опоры 14 и 15 со штифтовым креплением испытуемых образцов-колодок 18 и 19 позволяют обеспечивать максимально возможную их плотность прилегания к контробразцу 10, избежать перекосов при приложении усилия нагружения и ограничивать необходимый максимально допустимый момент трения в испытуемом трибосопряжении. 2.1.2. Привод главного движения коптртела
В первой главе данной работы была обоснована целесообразность использования в качестве привода главного движения электрических приводов с электродвигателями постоянного тока. Структурная схема автоматизированного электропривода движения контртела показана на рис, 2,5. Основой электропривода является электродви гатель постоянного тока независимого возбуждения, который обеспечивает преобразование электрической энергии (ЭЭ) в механическую (МЭ). Для согласования движений ЭДПТ и исполнительного органа {НО) АК служит механическое передаточное устройство (МПУ) - упругий элемент, с помощью которого происходит изменение параметров вырабатываемой ЭДПТ механической энергии. Движущаяся часть ЭДПТ (ротор), МПУ и ПО образуют механическую часть электропривода. Механическ ую энергию ЭДПТ вырабатывает за счет электрической энергии, которая подво;щтся к ЭДПТ от источника электрической энергии (ИЭЭ) через электрическое преобразовательное устройство (ПУ). Назначение ПУ состоит в преобразовании и регулировании параметров электрической энергии, поступающей от ИЭЭ к ЭДПТ для управления механическим движением ПО. Управление процессом преобразования энергии осуществляется с помощью управляющего устройства (УУ), которое вырабатывает управляющий сигнал Uy в функции задающего сигнала V3 и различных дополнительных электрических сигналов, содержащих информацию о процессе преобразования энергии, реальных параметрах механического движения ЭДПТ или ИО и т.д. Исполнение этих сигналов (нарис. 2.5 они показаны штриховыми линиями) позволяют получить требуемые характеристики движения ЭДПТ и ИО, достигнуть оптимального режима работы, обеспечить защиту и блокировку электропривода. Эти сигналы вырабатываются соответствующими датчиками, которые на рис. 2.5 не показаны. Преобразовательное и управляющее устройство образуют систему управления (СУ), которая составляет электрическую часть привода.
