Введение к работе
Актуальность темы. Процесс развития и модернизации современной техники и технологии связан с проблемой создания и совершенствования средств технического контроля и измерений. От точности и надежности поступающей с информационных систем данных зависит качество и безопасность производственных процессов, транспортных средств и энергетических установок. Во многих случаях точность измерительных приборов становится препятствием на пути создания новой техники или затрудняет исследование новых физических явлений.
На протяжении последних тридцати лет в России и за рубежом особое внимание уделялось разработке средств измерений на базе вибраштонно- частотных преобразователей. Высокая точность и надежность вибрационно-частотных датчиков СВЧД) при измерении статических и квазистатических величин обуславливает их широкое использование при решении задач анализа прочности конструкций и сооружений, управления технологическими процессами, в транспортных объектах, судостроении, сейсмологии и многих других отраслях техники. На основе ВЧД созданы прецизионные измерительные системы силы, веса и давления.
Основным элементом большинства ВЧД является колебательный контур или частотно-зависимая цепь с параметрами,зависящими от измеряемой величины. Во многих ВЧД частотозадащими элементами измерительной цепи являются высокодобротные механические резонаторы з виде струны, балки, пластины или оболочки. Частота колебания высокодобротных механических контуров, непосредственно зависящая от действующего на них измеряемого параметра, преобразованная в частоту колебаний электрического тока является выходным сигналом с ВЧД. Частотный сигнал является наиболее удобной формой представления сигнала для преобразования его в 'двоичный машинный код. Это обуславливает широкое применение ВЧД в информационно-измерительных системах и комплексах,' управляемых ЭВМ. К тому же следует отметить, что преобразование информации о измеряемой величине в частоту происходит непосредственно в ВЧД. т.е. без промекутрчных аналого-кодовых преобразований, что не ведет к возникновению дополнительных погрешностей. Используемые в телеметрии частотные каналы связи наиболее удобны для передачи информации с ВЧД на значительные расстояния и практически не подвержены воздействию помех.
Указанные достоинства вибрационно-частотного метода измерений являются причиной того, что в настоящее время многие ис-
следователи ведут работы но созданию новых и улучшению известных конструкций ВЧД, а такяе методов расчета их рабочих и метрологических характеристик. Разработка перспективных моделей ВЧД с использованием различных чувствительных элементов и систем регистрации позволит существенно расширить области применения ВЧД.
В настоящей диссертации разработаны новые ВЧД круткиегс момента на основе использования оболочечного чувствительного элемента. Прэдлояенные ВЧД отличаются высокими метрологическими характеристиками, простотой конструкции, надеяностью в работе.
Чрезвычайно высокие требования к применению оболочечных чувствительных злементов в ВЧД определяют актуальность расчета и проектирования оболочечных чувствительных злементов с заданной рабочей характеристикой С зависимостью собственной частоты колебаний элемента от приложенной к нему измеряемой нагрузки), наиболее чувствительной к действию измеряемой нагрузки, а так-2е анализа влияния посторонних, неизмеряемых статических силовых факторов на рабочую характеристику датчика.
На сегодняшний день проблема расчета собственных частот оболочечных упругих чувствительных элементов, работаюцих в условиях предварительного нагружения крутящим моментом или совместно несколькими силовыми факторами, одним из которых является крутяаий момент, практически не разработана. Отсутствие эффективных методоз расчета измерительных преобразователей данного класса исключает возмояность проведения предварительного теоретического анализа и проектирования ВЧД крутящего момента с заданными рабочими параметрами, что в свою очередь определяет важность рассматриваемой проблемы.
Установка ВЧД на объектах,подверженных воздействию вибраций или являющихся ее источником, а такне нестабильность во времени измеряемой физической величины обуславливают высокие требования, предъявляемые к метрологическим характеристикам и надежности датчика. Решение поставленных задач можно осуществить не только за счет повышения качества упругих чувствительных элементов, но и путем обеспечения защиты датчика от внешних воздействий методами активной вибролзоляции. В результате возникает ряд новых задач, связанных с изучением вопросов совместного функционирования ВЧД с системой активной виброзащиты.
Таким образом, создание новых перспективных средств измерения крутящего момента и углозых перемещений на основе ВЧД.
использующих оболочку в качестве чувствительного элемента, а также необходимость повышения надежности и метрологических характеристик ВЧД при наличии вибрационных воздействий определяют актуальность темы диссертационной работы.
Цель работы - разработка новых конструкций ВЧД для измерения крутящего момента и . угловых перемещений, использующих оболочку в качестве чувствительного элемента, создание универсальных методик для расчета рабочих и анализа метрологических характеристик ВЧД данного типа, а такне повышение надежности и точности ВЧД методами активной виброзациты.
Методы исследования. Для решения поставленных в работе задач использовались подходы, разработанные в обйзй теории оболочек, применялись методы теории колебания, теории автоматического управления, а также современные численные методы оптимизации. Для проверки достоверности теоретических выводов и численных расчетов проводились экспериментальные исследования с использованием современной вибровозбудительной и измерительной аппаратуры, голографической установки.
Автор защищает следующие научные положения:
-
Методику измерения крутящего момента на основа ВЧД-крутящего момента с оболочечным чувствительным элементом.
-
Методики расчета рабочих и метрологических характеристик ВЧД крутящего момента с оболочечным чувствительным элементом, включающие:
определение собственных частот цилиндрической оболочки, предварительно нагруженной по торцам крутячим моментом;
определение собственных частот цилиндрической оболочки," предварительно нагруженной побочными силовыми факторами С осевой силой, давлением, или температурой) и крутящим моментом;
определение геометрических параметров оболочки, которые оказывают наиболее существенное влияние на чувствительность ВЧД.
3. Методику повышения метрологических характеристик ВЧД,
обеспечивающую снижение уровня динамических помех.
Научная новизна. В работе получены следующие новые результаты:
- теоретически исследовано влияние предварительного наг-
ружения оболочки крутящим моментом на ее собственные частоты,
установлены соответствующие закономерности. Изучено влияние на
собственные частоты оболочки других силовых факторов С осевой
силы, давления и температуры),действующих совместно с крутяаим
моментом.
проведен анализ влияния геометрических характеристик оболочки на чувствительность ВЧД крутящего момента.
разработан метод снижения амплитуды динамических помех, действующих на ВЧД. путем использования систем активной вибро-защиты, в результате чего удается повысить метрологические характеристики датчика.
определены особенности совместного функционирования ВЧД с системой активной виброзащиты, использующей принципы широкополосного и узкополосного демпфирования колебаний.
- экспериментальными исследованиями подтверждена досто
верность основных теоретических результатов и работоспособ
ность предложенных конструкций ВЧД крутяаего момента и системы
подавления вибрационных помех для ВЧД.
Практическая ценность и внедрение результатов работы.
На базе проведенных исследований создан новый вибрацион-но-частотный датчик крутящего момента и угловых перемещений, имеющий высокие метрологические характеристики. Он может быть использован в транспортных объектах, судостроении, энергомашиностроении.
Предложенные универсальные алгоритмы определения рабочих характеристик и метрологических параметров ВЧД с оболочечным чувствительными элементами могут служить базой САПР измерительных преобразователей данного класса.
Разработана система активного подавления динамических помех на входе ВЧД,позволяющая улучшить метрологические характеристики ВЧД и повысить их надежность.
Предложенный ВЧД внедрен на Московском заводе электромеханической 'аппаратуры в стенде для определения моментнкх характеристик электродвигателей. Это позволило осуществить подбор рабочих пар электродвигателей транспортных роботов с одно-метрической системой координат и таким образом повысить точность его системы управления.
Достоверность результатов работы обусловлена использованием основных положений математики и механики, тщательным тестированием алгоритмов расчета. Она подтверждается хорошим соответствием экспериментальных и расчетных результатов, а также положительным опытом внедрения.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на 12 Всесоюзной научно-технической конференции "Конструкционная прочность двигателей" СКуйСыаев,
L990r.), научно-технической конференции "Надежность и эффективность нетрадиционных систем сейсмсзааиты зданий и сооружений" ССевастополь, 1931г. ). семинаре кафедры "Сопротивление материалов, динамика и прочность маиин" МГТУ им. 'Н.Э.Баумана (Москва, 1990г.),секции метрологии НТО НИИ прикладной механики (Москва, 1591г.), научном семинаре Отдела виброакустики масіин Института машиноведения РАН СУ.осквэ, 1991г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 работ.
Структура работы. -Диссертация состоит из введения. 4 глав, заключения и прилсненкй, включающих IS страницы машинописного текста, 77 иллюстраций, 13 таблиц и списка литературы из 128 наименований. Общий объем работы 224 страницы.
Автор выражает глубокую благодарность доктору технических наук, профессору Ы. Д.Генкину за консультации и постоянное внимание к работе.