Установка для статической балансировки роторов методом прямого измерения статического момента

D_в.доп = 33 гсм ;

D_к.допа = 19 гсм.

Из приведенных примеров следует, что статическая балансировка не только не в состоянии обеспечить равновешивание рассмотренного выше ротора турбогенератора с необходимой точностью, но не может ухудшить его сбалансированность. Сделанный вывод можно отнести ко всем роторам быстроходных машин, равновешивание которых должно выполняться с заранее заданной точностью.

В настоящее время для меньшения величины D_ост применяют балансировочные станки, позволяющие создавать воздушную подушку между цапфами ротора и опорами станка (рис.3.1).

рисунок 3.1.

агде:а 1а <-а опора балансировочного станка;

2,4- каналы для подачи воздуха под давлением;

3а <-а цапфа ротора.

Если ротор балансируется на подшипниках качения, то для уменьшения остаточного дисбаланса наружными кольцами подшипников задают вынужденные колебания в осевом направлении с частотой в несколько раз большей частоты вращения ротора и с амплитудой, определяемой осевым зазором (рис.4).

Наиболее современными балансировочными станками для статического равновешивания роторов являются станки, позволяющие вести этот процесс в динамическом режиме, во время вращения ротора с постоянной или переменной частотой, и измерять после странения влияния моментной неуравновешенности главный вектор дисбалансов ротора в плоскости, проходящей через центр его массы.

На таких станках роторы могут балансироваться статически не только с заранее заданной точностью, но и осуществлять компенсацию дисбалансов в автоматическом или полуавтоматическом режиме.

Однако не следует забывать, что основной недостаток статической балансировки, заключающийся в невозможности обнаружить моментную неуравновешенность роторов, странить нельзя. Поэтому область применения в технике статической балансировки роторов весьма ограничена.

В настоящее время статическая балансировка используется для равновешивания роторов дискообразной формы, некоторых злов гироскопических приборов и других, также в том случае, когда единственной целью равновешивания является приведения центра массы детали на ось вращения.

2.3 Особенности настройки оборудования для статической и динамической балансировки.

Статическая балансировка представляет собой специфическую технологическую операцию, состоящую из двух этапов: измерения величины и гловой координаты неуравновешенности. Оборудование для статической балансировки должно иметь устройства для измерения неуравновешенности и ее странения, причем лучшим вариантом решения будет объединение этих стройств в общем агрегате. Задачей балансировки является получение статически равновешенного ротора, поэтому основным, определяющим качество равновешивания, будет эффективность измерения неуравновешенности. Это накладывает на измерительные приборы, также на стройство для странения и на агрегат в целом ряд требований, для довлетворения которых балансировочное оборудование должно обладать соответствующей разрешающей способностью, точностью и производительностью.

В настоящее время равновешивание роторов производится или в статическом, или в динамическом режиме.

В первом случае ротор во время балансировочного процесса

только поворачивается на небольшие глы, во втором вращается с постоянной гловой скоростью.

В большинстве случаев балансировочное оборудование, кроме специального, предназначено для балансировки группы роторов, масса которых изменяется в некотором интервале. Измерительное стройство должно обеспечивать получение заданной точности на всем диапазоне, охватывающем данную группу роторов. Если измерение параметров статической неуравновешенности ротора производится с помощью балансировочного стройства, работающего в режиме статики, то точность измерения определяется ровнем ошибок, вносимых трением, возникающим между опорными шейками ротора или его оправки и направляющими. При балансировке трение препятствует ротору занять однозначное положение стойчивого равновесия и этим ограничивает чувствительность балансировочного стройства к малым неуравновешенностям. Конструкция балансировочного стройства должна обладать жесткостью, не допускающей деформацию его при нагружении ротором. Качество обработки и точность изготовления направляющих, точность установки иха ва горизонтальной плоскости, параллельность и совпадение осей опор также определяют качество работы балансировочного оборудования первого вида.

При применении балансировочных стройств, работающих в динамическом режиме с использованием электрических способов измерения, точность измерения неуравновешенности принципиально определяется соотношением между ровнями электрических сигналов от помех к сигналу от минимальной неуравновешенности,

которую требуется измерить.

При измерении неуравновешенности в динамическом режиме помехи имеют широкий спектр частот и возникают как от внутренних, так и от внешних причин. Поэтому балансировочное оборудование, работающее в динамическом режиме, обычно включает частотно-избирательное стройство для исключения или по крайней мере существенного снижения влияния внутренних и внешних помех. Конструкция балансировочного стройства должна быть такой, чтобы на качестве балансировки не сказывались внутренние помехи, возникающие как при работе самого стройства, так и вследствие работы окружающего оборудования. Поэтому как механическая система, так и измерительная часть не должны допускать

возникновения существенных внутренних помех, снижающих точность измерения неуравновешенности. Уровень помех должен быть значительно ниже ровня допускаемой остаточной неуравновешенности.

В отношении влияния внешних вибраций на качество балансировки следует иметь в виду, что кроме странения их влияния

при помощи частотно-избирательных стройств требуется предусмотреть защиту от проникновения в механическую систему помех с частотой, соответствующей скорости вращения ротора при балансировке.

Современное балансировочное оборудование должно обеспечивать точность и производительность при становки его

непосредственно на общей плите пола производственного помещения или на междуэтажных перекрытиях производственных зданий. В отдельных случаях балансировочные машины устанавливают на обособленном от производственного помещения фундаменте или делают специальные виброизолирующие стройства.

Чаще всего статической балансировке подвергают дисковые роторы, не имеющие опорных шеек, и становка их на балансировочный станок выполняется с применением технологического вала, называемого оправкой. Собственная неуравновешенность оправки и погрешность ее изготовления также вносят ошибки в измерение параметров статической неуравновешенности ротора. Так, например,

смещение оси оправки относительно ее шеек при балансировке в статическом режиме, или оси оправки относительно оси шпинделя при балансировке в динамическом режиме, на 0,01 мм вносят ошибку в процессе измерения величины неуравновешенности ротора, равную 1гр.*см / кг.

Следовательно, балансировочное оборудование должно иметь стройство, позволяющее исключить влияние собственной неуравновешенности оправки или шпинделя на точность

измерения статической неуравновешенности ротора.

Конструкция балансировочного оборудования должна обеспечивать добный отсчет величины гловой координаты неуравновешенности. Визуальный отсчет параметров неуравновешенности по шкалам приборов вносит дополнительные погрешности и снижает точность и производительность балансировки. Поэтому желательно, чтобы показатели измерителей величины и гловой координаты неуравновешенности фиксировались автоматически и не требовали записи или запоминания.

Настройка оборудования, работающего в статическом режиме, несложна и сводится к точной становке его в горизонтальной плоскости, тщательной выверке параллельности направляющих и обеспечению совпадения осей опор. Настройка оборудования, работающего в динамическом режиме, сложнее и обычно осуществляется с помощью эталонных роторов и контрольных грузов и контрольных грузов. Так, измерительную систему оборудования, работающего в динамическом режиме, обычно настраивают на рабочую частоту, станавливают масштаб измерения величины и отсчет гловойа координаты неуравновешенности. Обычно перенастройка станка на ротор иной весовой категории требует замены оправки и эталонного ротора. Операция по изготовлению и равновешиванию эталонных роторов является трудоемкой, дорогостоящей и требует высокой квалификации оператора. Поэтому для прощения наладки оборудования в конструкции его желательно предусматривать стройство для электрического эталонирования. Хотя это и сложняет электроизмерительную часть, однако наличие такого стройства исключает необходимость изготовления дорогостоящих эталонных роторов. В случае применения электрического эталонирования в качестве ротор для настройки может быть использован даже ротор, подлежащей балансировке. Это особенно важно в словиях мелкосерийного производства, где приходится выполнять частую перестройку оборудования, так как иметь специальные настроечные роторы в этом случае не целесообразно.

Балансировочное оборудование и связанное с ним стройство для даления неуравновешенности должны быть надежны. Следовательно, механическая система балансировочного стройства должна быть простой, несложной и надежной в эксплуатации, не требующей точной выверки или становки, состоять по возможности из нифицированных злов и деталей, легко заменяемых при поломке и износе.

Измерительную систему также желательно выполнять из нифицированных блоков, собранных из стандартных деталей.

Механическую и измерительную системы необходимо защищать от проникновения влаги, металлической пыли, стружки и попадания в движущиеся части других посторонних предметов. Процесс становки, крепления и съема балансируемых роторов должена быть простым и обеспечивать надежное крепление ротора. Балансировочное оборудование оснащается также соответствующими защитными и предохранительными устройствами.

2.4 Призмы.

Для минимального контакта между опорами в балансировочном станке целесообразно использовать призмы.

Различают опорные, грузоприемные и концевые соединительные призмы.

Призмы при помощи которых рычаги опираются на подушки или серьги, называют опорными. [3]

Призмы, воспринимающие нагрузку от платформы или других рычагов, называют грузоприемными.

Наконец, призмы передающие нагрузку, на другой рычаг или на коромысло, носят название концевых, или соединительных.

Призма, несущая в себе гиродержатель, по существу также является грузоприемной, но ее чаще называют концевой призмой коромысла или призмой гиредержателя.

Призмы изготовляют из высокоуглеродистой стали с содержанием глерода ни ниже 0,75 - 0,85 % (марка У - 8); для весов высокой точности применяется агат и ему подобные материалы.

Стальные призмы бывают самых различных профилей, но наиболее распространены четыре профиля: квадратный (рис. 4);

пятиугольный (рис.5);

треугольный (рис. 6);

и грушевидный с глом при вершине 60⁰ (рис.7).

Призмы заделываются в рычаги либо по всему периметру - закрытые призмы, либо только на одну треть высоты - открытые призмы.

Закрыты призмы по способу крепления делятся [3] на:

1. консольные - заделанные с одного конца и нагруженные равномерной нагрузкой по всей длине;

2. двухконсольные - заделанные в середине длины и нагруженные равномерной нагрузкой с обоих концов или сосредоточенной нагрузкой по концам;

3. двухопорные - заделанные в середине и нагруженные сосредоточенной нагрузкой;

4. заделанные по концам и нагруженные равномерной нагрузкой по всей средней части;

5. заделанные вблизи концов и нагруженные двумя сосредоточенными силами.

Закрытые призмы следует рассчитывать на: срезывание, изгиб и контактные напряжения в рабочем ребре призмы.

При расчете на срезывание, напряжение S определяется по формуле: для консольной призмы

s_S а<= Q / F ; (12)

для всех остальных призм

s_S а<= Q / 2F , (13)

где Q - расчетная нагрузка;

F -а площадь сечения призм.

Расчет открытых призм на срезывание и изгиб не ведется, так как эти призмы испытывают только деформацию смятия подошвы и рабочего ребра, в котором возникают контактные напряжения.

Расчет как открытых, так и закрытыха призм на контактные напряжения в рабочем ребре ведется на 1 пог. см алезвия (табл.2)

таблица 2

Контактные напряжения в вершинах.

В весах высокой точности призмы закрепляются становочными винтами непосредственно в гнездах (рис.8), или в специальныха регулируемых каретках (рис.9).

На рис.9 изображен зел крепления призмы конструкции Эталон. Регулируемая каретка 1 крепится на плече коромысла 2 при помощи двух штифтов 3 и винта 4. На верхней части каретки 1 в цилиндрической впадине находится седло 5 с хвостовиком, в который пираются становочные винты 6 и 7.

Винтами 6 устанавливается требуемое положение призмы в горизонтальной плоскости, при помощи винтов 7 регулируется длина плеча.

Для становки параллельности призм служит планка 8, которая поворачивается вокруг втулки 9 и закрепляется в требуемом положении винтом 10. Эт установка производится при помощи винтов 11, проходящими через выступы 12 планки 8.

В конструкции Госметр узла крепления призм (рис. 10) конец плеча коромысла выполняется с выемкой, на которой станавливается каретка 1; радиус этой выемки меньше радиуса выпуклости в каретке, вследствие чего каретка опирается на коромысло в четырех точках: двух спереди и двух сзади.

В нижнюю часть каретки ввинчен 2 с проточкой в средней части. В эту проточку пираются своими концами два установочные винта 3, ввинченные в выступы 4 коромысла.

При этом способе крепления обеспечивается надежное соединение каретки с коромыслом и требуемое положение призм в горизонтальной плоскости.

Призма 5 креплена в каретке четырьмя винтами 6. Эти винты соприкасаются с призмой конической частью своих головок.

Винты 6 служат для становления параллельности призм. Крепление призм при помощи клинового зажима, применяется в весах для больших нагрузок.

Для обеспечения хорошей работы весов необходимо, чтобы призма была твердой и в то же время не была хрупкой.

Это свойство может быть обеспечено только при хорошем качестве стали, из которой изготовляются призмы, и при правильной термической обработке.

2.3 Подушки и щечки.

Все призмы опираются, также воспринимают или передают нагрузку через детали, называемые подушками.

Подушки либо заделываются в стойки или серьги на тугую посадку, либо вкладываются в эти детали (самоустанавливающиеся или качающиеся).

Подушки, которые заделываются на тугую посадку, обычно изготовляются из высокоуглеродистой стали специального профиля.

В настоящее время запрессованные подушки вытесняются самоустанавливающимися подушками почти во всех видах весов.

Это происходит потому, что практически трудно запрессовать подушку так, чтобы призма соприкасалась с ней по всей длине лезвия. Обычно призма соприкасается с подушкой либо с одного, либо с другого конца, что ведет к величению контактных напряжений и к выкрашиванию призм.

При самоустанавливающихся подушках призма соприкасается с подушкой по всей длине лезвия и потому случаев выкрашивания бывает значительно меньше.

Самоустанавливающиеся подушки бывают двух типов: штампованные, предохраняемые от выпадения щечками, специальными прокладками и штифтами, проходящими через серьги, и фрезерованные, которые предохраняются от выпадения при помощи штифтов, проходящих через подушку.

Подушки для весов грузоподъемностью до 3 т включительно изготовляют из малоуглеродистой стали с последующей цементацией, для весов больших нагрузок - из высокоуглеродистой стали.

В весах для небольшой нагрузки размеры подушек выбираются конструктивно, так как всегда обеспечивается большой запас прочности.

У весов с большой предельной нагрузкой следует проверить размеры подушек основных рычагов на скалывание по формуле:

s_S =а/ s (14)

где S а<- напряжение на скалывание;

--а приложенная нагрузка;

b - длина подушки;

h - высота подушки в опасном сечении;

R_s - допускаемое напряжение на скалывание.

Закалка, шлифование и полировка подушек и щечек производится также, как призм, но твердость их должна быть выше, так как, если призмы будут тверже, то они выработают в подушках или щечках углубление, и весы потеряют чувствительность, в связи с возросшим трением.

В этом случае, когда призмы мягче чем подушки или щечки то при работе вершины их постепенно закругляются и, хотя чувствительность весов в этом случае также снижается, но в значительно меньшей степени.

Детали, называемые щечками (рис.11), предохраняют подушку от выпадения и держивают призму от сдвига с подушек.

В весах с предельной нагрузкой до 3 т - из малоуглеродистой стали, но стальным закаленным вкладышем в месте соприкосновения с острием призмы.

2.4 Тензорезисторы.

В настоящее время широкое распространение получают методы и средства тензометрии, позволяющие осуществлять контроль и измерение большого числа параметров [4]. Эти методы и средства используются в большинстве отраслей техники и во многих отраслях науки.

стройства (приборы, становки, системы и т.п.), позволяющие осуществлять электротензометрирование, т.е. измерение электрическими методами деформаций твердых тел, называются электрическими тензометрами. Электрический тензометр (электротензометрическая установка) состоит из воспринимающего стройства, передающего стройства и индикатора (регистрирующего прибора).

Главной частью воспринимающего устройства является чувствительный элемент, непосредственно воспринимающий измеряемую величину. Измерительная становка благодаря действию всех входящих в неё элементов позволяет зарегистрировать соответствующую неэлектрическую величину (в данном случае -- момент), воспринятую первичным элементом. Конструктивно оформленный чувствительный элемент носит название преобразователя, в тензометрической аппаратуре соответственно - тензопреобразователя.

В основу работы тензопреобразователей могут быть положены различные принципы, например генераторные или параметрические. Генераторные тензопреобразователи в процессе измерения вырабатывают электродвижущую силу или заряд, в параметрических преобразователях в процессе измерения происходит изменение параметров электрической цепи, в которую включен тензопреобразователь. Генераторные тензопреобразователи (например, пьезоэлектрические ) не нашли широкого применения в тезометрировании и используются главным образом для качественных исследований.

Параметрические тензопреобразователи получили значительное распространение. К ним относятся емкостные, индуктивные преобразователи и преобразователи сопротивления.

Наиболее широко среди параметрических преобразователей используются тензопреобразователей используются тензопреобразователи сопротивления - тензорезисторы, которые совместно с аппаратурой, предназначены для работы с ними.

Общий вид прикрепленного к объекту проволочного тензорезистора показан на рис.12. Проволочная решетка, представляющая собой ряд петель 1, креплена (с помощью клея или лака специального состава) к подложке 3; к концам решетки припаяны (приварены) выводы 4, с помощью которых тензорезистор подключается в измерительную схему. Тензорезистор приклеивается к объекту 2 и становится (благодаря своим малым размерам и ничтожной массе) как бы одним целым, вследствие чего деформации объекта воспринимаются проволочной решеткой, являющейся чувствительным элементом этого преобразователя.

Деформация объекта вызывает деформацию проволочной решетки тензорезистора, в результате которой изменяются геометрические размеры и физические свойства решетки.

Относительное изменение сопротивления тензорезистора определяется формулой:

D R / R = D

где R<- сопротивление тензорезистора, Ом ;

а

r<- дельное сопротивление материала проволоки, Ом*м ;

m<- коэффициент Пуассона для материала проволоки.

Основными характеристиками тензорезистора являются его активное сопротивление R_Д , его база Lа (см. рис.12) и коэффициент тензочувствительности К, в соответствии с формулой (7) равный:

К = (D R / R) / (D

Для приготовления проволочных решеток используются материалы, имеющие высокое значение коэффициента тензочувствительности и малое значение температурного коэффициента сопротивления.

Наиболее часто в качестве материала для проволочных тензорезисторов используется константан, элинвар, карм и изоэластик.

Наибольшее распространение в отечественной тензоизмерительной технике получили тензорезисторы из специальной константановой тензометрической проволоки диаметром 0,025 - 0,035 мм, разработанной Научно - исследовательским конструкторским институтом испытательных машин, приборов и средств измерения масс (НИКИМП), институтом Гипроцветметобработка и подольским заводом Микропровод.

За последние годы значительных спехов достигла техника получения различных полупроводниковых материалов, широко используемых в радиотехнической промышленности, что открыло широкие перспективы в решении проблемы разработки и изготовления полупроводниковых тензорезисторов.

Полупроводниковые тензорезисторы, сохраняя ряд преимуществ, присущих проволочным фольгированным тензорезисторам (ничтожная масса, малые размеры), имеют значительно большую тензочувствительность и высокий ровень выходного сигнала измерительных схем (в ряде случаев это позволяет простить либо празднить силительную аппаратуру). Важнейшей особенностью полупроводниковых тензорезисторов является возможность изменения в широких пределах их механических и электрических свойств, что принципиально неосуществимо в проволочных и фольгированных тензорезисторах. Например, при одних и тех же геометрических размерах сопротивление полупроводникового тензорезистора может лежать в пределах от десятков ом до десятков кОм, коэффициент тензочувствительности - от 100 до + 200 и выше.

Полупроводниковым тензорезисторам, технологии их изготовления, опыту эксплуатации, конструированию на их базе различного типа преобразователей, перспективам их использования и другим вопросам посвящена обширная периодичная и патентная литература.

Наибольшее распространение у нас в стране и за рубежом получили кремниевые и германиевые тензорезисторы

В Новосибирском электротехническом институте (НЭТИ) под руководство проф. А.Ф. Городецкого были разработаны кремниевые тензорезисторы типа нэтистор из кремния

В настоящее время тензорезисторы применяются не только для измерения линейных деформаций (напряжений), но и других величин: сил, скорений, давлений, вибраций и др. В этом случае тензорезистор выполняет лишь роль первичного (чувствительного) элемента, сами преобразователи физических или механических величин, как правило, дополняются пругими элементами. Преобразование измеряемой неэлектрической величины в электрический параметр при последовательном многоступенчатом преобразовании в общем виде описывается сложной функцией:

y = 1 а(1 [2 а(

где у - электрический параметр (сопротивление тензорезистора);

х - измеряемая неэлектрическая величина;

Законы преобразования линейной деформации в изменение сопротивления тензорезисторов [2 (х)] изучены. Менее изучены свойства и характеристики упругих элементов, осуществляющих первичное преобразование физических величин в линейную деформацию, воспринимаемую далее проволочными, фольговыми или полупроводниковыми тензорезисторами. Вид пругого элемента преобразователя: балка, мембрана, пружина различной жесткости и др. - определяет назначение преобразователя в целом, деформируясь и частотные свойства пругого элемента - чувствительность преобразователя и применимость его для исследования динамических процессов.

При подборе или конструировании преобразователей для измерения физических или механических величин необходимо удовлетворять двум требованиям:

) получать наибольшую, достаточную для работы тензометрической аппаратуры чувствительность;

б) обеспечить высокую собственную частоту пругих элементов, исключающую появление частотных погрешностей.

Эти требования выполняются противоречивыми конструктивными мерами, и величение чувствительности большинства пругих элементов пропорционально меньшает их собственную частоту.

Обычно в зависимости от задач измерения выбирается преобразователь (разрешающая способность) которого вполне достаточна для измерения и регистрации исследуемого процесса с погрешностью, не превышающей заданной. Это словие, например, при использовании тензорезисторов записывается следующим образом :

e_ср. > min _доп, (18)

где ср. - деформация, воспринимаемая размещенным на пругом элементе тензорезистором и средняя его длине (базе);

e_{min доп,} - минимальная деформация, достаточная для регистрации данным тензоизмерительным трактом с погрешностью не выше допустимой

Искомая деформация ср. для некоторых типовых пругих элементов - балок и мембран - может быть определена на основе зависимостей, проводимых в соответствующих курсах или справочниках.

Отсутствие частотных погрешностей определяется решением дифференциального равнения вынужденных колебаний пругих элементов

Анализ равнений движения, показывает, что коэффициент динамичности несущественно отличается от единицы (с ошибкой менее 1%) при выполнении следующего неравенства:

w₀ > (8 <¸ 10)

где 0 Ц собственная частота пругой системы;

Для пругих систем, отличающихся значительным затуханием (наличием трения, демпфирование, материал с большим внутренним трением), превышение собственной частоты над частотой исследуемого процесса может быть меньшено до 3 - 4. В этом случае дается практически исключить инерционные погрешности и при собственной частоте пругого элемента расширить частотные пределы измерений.

Как отмечено было выше, широкое применение получили измерения разнообразных физических величин с помощью преобразователей, использующих тензорезисторы в качестве первичных (чувствительных) элементов. И если совсем недавно измерения с помощью тензорезисторов сопротивления считались достаточно грубыми, то с настоящее время электротензометрирование используется и при точных измерениях, вплоть до прецизионных. Так например, тензометрические преобразователи применяются при весо<- и силоизмерениях.

При весоизмерениях используются как наклеиваемые тензорезисторы, так и тензорезисторы с проволокой на свободных подвесах.

В НИКИМП разработан ряд тензопреобразователей с нагрузками от 100 кгс до 1 тс, использующих специальные типы наклеиваемых тензорезисторов, в Институте автоматики - силоизмерительные тензопреобразователи с номинальными силиями от 1 до 250 тс, использующие бесклеевые тензорезисторы. За рубежома сило<- и весоизмерительные тензопреобразователи выпускаются фирмами УHotingerФ, У

Серийный выпуск электротензометрических весов, сило<- и весоизмерительных тензопреобразователей налажен на Киевском заводе порционных автоматов им. Ф.Э. Дзержинского (силоизмерительные бесклеевые тензопреобразователи типов ДСТБ-С, ДСТВ-С и др.) на Одесском заводе им. Старостина (тензометрические весы: крановые, бункерные и т.п., разработанные в ОПИ под руководством А.С. Радчика) и на Краснодарском заводе тензометрических приборов (силоизмерительные тензопреобразователи типа ТДС с чувствительным элементом в виде наклеенных полупроводниковых тензорезисторов)

Фирма УSimensФ выпускает тензометрические силоизмерители высокой точности с пругими элементами в виде двух параллельных балок, используемые в торговых весах (предельные нагрузки от 13 до 600 кгс).

В статье [5] приводится описание силоизмерительного тензопреобразователя из монокристалла кремния, в котором используется интегральная микросхема. Также рассмотрен силоизмерительный преобразователь с чувствительным элементом из стеклоткани, на которую наклеены проволочные тензорезисторы. Эти преобразователи применяются для измерения малых нагрузок.

Современные сило<- и весоизмерительные тензопреобразователи позволяют выполнять измерения с погрешностью, не превышающие 0,5%. Имеются сведения о тензопреобразователях, позволяющих выполнять и более точные измерения (с погрешностью 0,1 - 0,2%).

Для измерения давлений широко используются тензопреобразователи с проволочными, фольговыми и полупроводниковыми тензорезисторами, причем благодаря высокому верхнему частотномуа пределу полупроводниковые тензорезисторы в последнее время стали все чаще применяться в преобразователях для измерения давлений (в первую очередь динамических давлений).

Для измерения давлений используются в основном два вида пругих преобразователей: мембраны и цилиндрические оболочки . Некоторое применение для измерения статических давлений находят преобразователи, построенные на базе обычного манометра с трубкой Бурдона.

Мембранные преобразователи давлений в качестве пругого элемента имеют мембрану - тонкую пластинку, нагруженную с одной стороны измеряемым давлением р. пругая пластинка закрепляется по контуру, и на поверхности, противоположной той, на которую действует давление, располагается тензочувствительный элемент. Обычно применяются круглые пластинки, причем их жесткость и геометрические размеры выбираются такими, что влиянием цепных напряжений можно пренебречь.

Если из-за больших нагрузок или недостаточной жесткости мембрана получает большие прогибы, то на изгибные напряжения накладывают цепные напряжения и линейность зависимости между давлением р и относительной деформацией Д на поверхности нарушается.

Большое влияние на качество работы мембранного преобразователя давлений, линейность его функции преобразования и чувствительность оказывает степень заделки мембраны по контуру. Обычно следует стремиться к жесткой заделке, ибо при этом создаются оптимальные словия расположения на мембране тензочувствительного элемента и обеспечивается более высокая собственная частота самой мембраны.

Тензочувствительные элементы могут быть выполнены в виде проволочных, фольговых или полупроводниковых тензорезисторов.

Расчет чувствительности мембранного преобразователя давления производится в следующем порядке:

а) определяются изгибающие моменты в тангенциальном и радиальных сечениях;

б) находятся деформации по направлению радиуса по нормали к радиусу;

в) определяются средние интегральные деформации тензочувствительныха элементов при действии расчетного давления.

Для жестко заделанной по контуру мембраны изгибающие моменты в радиальном и тангенциальном сечениях будут:

М_r =а

2 (1+2 (3+

M_t =а

2 (1+2 (3+3

где р - распределенное давление на мембрану;

R - радиус мембраны;

r - радиус точки мембраны, для которой вычисляются М_r и M_t.

Соответствующие напряжения r и t и деформации r аи t на поверхности мембраны в точке с радиусом r находятся из зависимостей:

s_r = 6M_r / t² = 3p / 8t² [R² (1+2 (3+

s_r = 6M_r / t² = 3p / 8t² [R² (1+2 (3+3

e_r = 1 / Eа (r - t); (22)

e_t = 1 / Eа (n - t), (23)

где Е - модуль нормальной пругости для материала мембраны;

а

Подставляя в последние равнения значения r и t , окончательно можно записать:

e_r = а(3p / 8t²) (1 - 2 / E) (R² - 3r²);а <ü (24)

e_t = а(3p / 8t²) (1 - 2 / E) (R² - r²). <þ

Для мембраны, свободно опертой по контуру, деформации в точке с радиусома r можно найти по формулам:

e_r = (3p / 8Et²) [R² (3 - 22) - r² (3 - 32)] <ü (25)

e_t = (3p / 8Et²) [R² (3 - 22) - r² (1 - 2)] <þа

Дальнейшее решение сводится к определению абсолютной Dд и относительной (средней) ср = Dд / д деформации участка мембраны на длине тензочувствительного элемента д . Исходными данными для этого решения являются приведенные выше зависимости для r и t и геометрическая форма решетки.

Для центрального профиля:

Dд = 2 ^r0ò₀ r dr = (3

2 ) [r₀ (1- 2) (r₀² - R²) / Е ] <ü (26)

e_ср = а(Dд / д )= (3

2 ) [ (1- 2) / Е (R² - r₀²)] <þ

Собственная частота в герцах (основной тон) жестко заделанной мембраны определяется по зависимости, полученной Ю.А. Шиманским:

f₀ = 1,57 <Ö Eh³ / 12R⁴ 0 (1 - 2) (27)

где через 0 обозначена масса единицы площади мембраны.

Собственная частота мембраны, свободно опертой по кромкам,

f₀ = 0,94 <Ö Eh³ / 12R⁴ 0 (1 - 2) (28)

В некоторых случаях и кинематическую схему преобразователя давления вводится еще один пругий элемент, например вторая мембрана или консольная балка (рис.13), на котором располагается тензочувствительный элемент.

а) б)

Рис.13 Применение второго пругого элемента

- дополнительной мембраны

б- консольной балки

Подобное конструктивное решение является рациональным при быстропеременных нагревах мембраны, когда не дается обеспечить хорошую термокомпенсацию при расположении рабочего и компенсационного тензорезисторов на самой мембране.

Для определения чувствительности такого преобразователя находится сила F, передаваемая от наружной мембраны к внутреннему пругому элементу. Эта сила может быть найдена из словия равенства прогибов мембраны и дополнительного упругого элемента.

Если в качестве дополнительного упругого элемента используется также мембрана, то выражение для деформаций в радиальном и тангенциальном сечениях этой мембраны в точке с радиусом r имеют вид:

e_r = (3F / 2

2 ) [(1-2) (

e_r = (3F / 2

2 ) [(1-2) (

Если в качестве дополнительного упругого элемента используется призматическая консольная балка, то средняя деформация тензоэлемента, расположенного вдоль балки будет :

e_ср. = 6F (Д ) / E 2 (30)

где

х_Д - расстояние от середины тензоэлемента до заделки, обычно равное половины базы тензорезистора.

Приведенные выше зависимости для чувствительности и собственные частоты пругих элементов иллюстрируют общее очень важное в практическом применении правило : наибольшей чувствительности преобразователя независимо от его типа при сохранении достаточно высокой собственной частоты можно достигнуть выбором материала с низким модулем упругости. Для любыха пругих элементов при заданных нагрузках деформация на поверхности в месте становки тензорезистора обратно пропорциональна модулю нормальной упругости. Что касается собственной частоты, то при неизменных геометрических размерах пругого элемента она падает, но пропорционально отношению модулей упругости в степени 1 / 2. Это меньшение частоты легко компенсируется изменением геометрических размеров пругого элемента (например, величением толщины). В целом при заданной собственной частоте преобразователя его чувствительность при использовании материалов с низким модулем пругости возрастает.

В качестве основного чувствительного элемента возможно использование серийных тензопреобразователей. Преобразователь состоит из измерительного блока и электронного устройства. Преобразователи различных параметров имеют нифицированное электронное стройство и отличаются лишь конструкцией измерительного блока.

Измеряемый параметр подается в камеру измерительного блока и линейно преобразуется в деформацию чувствительного элемента и изменение электрического сопротивления тензорезисторов тензопреобразователя, размещенного в измерительном блоке.

Электронное стройство преобразователя преобразует это изменение сопротивления в токовый выходной сигнал.

Чувствительным элементом тензопреобразователя является пластина из монокристаллического сапфира с кремниевыми пленочными тензорезисторами (структура КНС), прочно соединенная с металлической мембраной тензопреобразователя.

Схема преобразователя Сапфир 2ДА представлена на рис.14.

Тензопреобразователь 4 мембранно-рычажного типа размещен внутри основания 9 и отделен от измеряемой среды металлической гофрированной мембраной 8.

Мембраны 8 и 14 по наружному контуру приварены к основанию 9 и соединены между собой центральным штоком 6, который связан с концом рычага тензопреобразователя 5 с помощью тяги 13. Измеряемое давление подается в камеру 7; полость 12 вакуумирована и герметизирована.

Фланец 10 плотнен с помощью прокладки 3.

Воздействие измеряемого давления вызывает прогиб мембраны 8, изгиб мембраны тензопреобразователя 4 и изменение сопротивления тензорезисторов. Электрический сигнал от тензопреобразователя передается из измерительного блока в электронное стройство 1 по проводам через гермовывод 2.

3.ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ.

3.1 Описание экспериментальной становки.

Лабораторный стенд для статической балансировки предназначен для проведения на нем лабораторных экспериментов. Он представляет собой сварную конструкцию из профилей проката. Станок размещается на лабораторном столе в классе. Для становки уровня горизонтальной поверхности на стенде предусмотрены настройки. Подвижная часть стенда размещена на раме. Подвижная рама опирается на призмы. Коэффициент трения которых очень низок. Здесь также предусмотрена настройка соосности верхней грани призмы с центральной осью вращения ротора. Это необходимо для повышения точности измерения. Призмы стенда изготовлены из инструментальной стали У8. Они подвергнуты определенной термической обработке. Испытуемый вал размещается на опорных V-обраных призмах. Проще говоря становка представляет собой неравноплечные неуравновешенные весы. С одной стороны на стенде размещена измерительная часть. Она посредством рычагов связана с чувствительным элементом. Призмы и опоры должны точно собираться, для предотвращения погрешности измерения. Для надежного держания измерительной части в "замке", здесь предусмотрена конструкцией пружина растяжения. В качестве чувствительного элемента здесь используются прмышленный датчик Сапфир 2ДА. Он преобразует механический момент в электрическое сопротивление. Это необходимо для последующих преобразований выходного сигнала. После датчика сигнал поступает на электронный силитель сигнала. Он поставляется в комплекте с датчикогм Сапфир 2ДА. В качестве вторичного прибора используется ниверсальный электронный вольтметр, с высокой точностью измерения. Питание усилителя производится от источника постоянного питания 3В. Все исользуемое оборудование должно агрегатно и эргономично распологаться на рабочей поверхности лабораторного стола. Все злы правления доступны и просты. Питание становки осуществляется от сети 22В переменного тока. Все подведенные электрические кабеля заизолированны. О подачи питания сигнализирует лампочка на щитке питания. И еще лампочки-индикаторы на самих измерительных приборах. становка также заземлена.

3.2 Методика проведения экспиремента.

На практике процесс статической балансировки роторов при помощи стройств с призматическими опорами выполняют в пять стадий:

1.  грубая балансировка;

2.  точная балансировка;

3.  выбор расположения и величины рабочих равновешивающих грузов;

4.  становка и крепление рабочих равновешивающих грузов;

5.  контроль качества балансировки.

Грубая балансировка выполняется с целью устранения явной неуравновешенности ротора без чета сил сопротивления, препятствующих колебанию в опорах. Грубая балансировка производится следующим образом. Ротор помещают на стенд так, чтобы его ось располагалась горизонтально и перпендикулярно призматическим опорам. Желательно чтобы ротор был одет на собственный рабочий вал. В случае невозможности выполнения этого требования ротор крепится на специально изготовленную оправку. Если вал ротора имеет разные диаметры опорных шеек, то на меньшую из них вытачивают выравнивающую втулку. В исходном состоянии ротор располагают в опорах призмы. Под действием статического момента ротор будет передавать момент на измерительную рамку. В том случае если ротор, помещенный на балансировочное стройство, не создает начального момента, его необходимо повернуть (в любую сторону) на 90⁰.

Если бы отсутствовали силы сопротивления, припятствующие качению рамки в опорах, то его сещенный центр тяжести располагался бы в самой нижней точки траектории движения, т.е. в нижней части вертикали, пересекающейся с осью вращения. В реальных словиях центр тяжести ротора будет находиться вблизи точки равновесия. Для становления положения смещенного центра тяжести на торцевой поверхности ротора, после того как он займет нулевой момент, наносится меловая черта 1 рис. 3.1, которая должна совпадать с вертикальной

рис. 3.1

линией, опущенной из центра вращения. Затем ротор поварачивают в любую сторону на 90⁰ (при этом метка 1 займет горизонтальное положение слева или справа от оси вращения) и предоставляют создавать ему момент на рамке. При максимальном моменте, отмечают новое место меткой 2. Операцию проводят еще раз, при этом ротор раполагают на опорах таким образом, чтобы исходная метка находилась в горизонтальной плоскости с другой сстороны от оси вращения. После затухания колебательных движений ротора положение равновесияотмечают меткой 3. Далее полагают, что смещенный центр тяжестилежит на линии, являющейся биссектрисой гла, заключенного между метками 2 и 3. Эту линию обозначают меткой 4 (где расположен центр тяжести), называется тяжелой.

Противоположная от оси вращения ротора называется легкой. Затем приступают к к странению явной статической неуравновешенности ротора. Для этого ротор ориентируют на балансировочном стройстве таким образом, чтобы метка 4 находилась в горизонтальной плоскости. К легкой стороне ротора в добном месте (как правило на боковой поверхности) прикрепляют равновешивающий груз такой величины, при котором на ротор перестает действовать статический момент. При этом момент на рамке должен быть практически стремиться к нулю. Величина равновешивающего груза подбирается опытным путем.

Признаком правильности подбора величины уравновешивающего груза является нулевой момент на датчике, при расположении метки 4 в горизонтальной плоскости как справа, так и слева от оси вращения. Для уравновешивания добно пользоваться либо небольшими магнитами 1-3г. (если ротор изготовлен из магнитоупругого материала), либо пластелином, прилепляемым мелкими порциями к выбранному месту на поверхности ротора.

Выполняя грубую балансировку следует придерживаться следующих правил:

Ч плоскость коррекции (плоскость перпендикулярная оси вращения, в которой располагается центр массы равновешивающего груза) должна либо проходить через центр массы ротора, либо располагаться на незначительном далении от него;

Ч уравновешивающий груз желательно помещать в таком месте, чтобы было известно или добно было замерять расстояние от оси вращения до центра массы груза;

Ч место расположения равновешивающего груза по возможности должно совпадать с местом расположения рабочего равновешивающего груза.

Если последнее требование выполняется, то отпадает необходимость пересчетя массы уравновешивающего груза при изменении радиуса его расположения относительно оси вращения.

После странения неуравновешенности ротора приступают к выполнению второй стадии - точной балансировки. Точная балансировка осуществляется с целью странения скрытой неуравновешенности ротора, которая из-за наличия сил, не создает момента на датчике. Силы сопротивления моменту могут бать обусловлены различными причинами: негоризонтальность и непараллельность призматических опор; недостаточная твердость и плохое качество обработки рабочих поверхностей призмы и подушки; наличие деффектов (царапин и вмятин ) и загрязнений (пыли, липких веществ) на опорах; прогиб вала и т.д. Точная балансировка выполняется следующим образом. Торцевая поверхность ротора см. рис.3.2а делится на 8, 12, или16 равных секторов. Линии, делящие торцевую поверхность на сектора, нумеруются по порядку. Направление

рис. 3.2

Определение скрытой неуравновешенности ротора

m - масса пробного груза, а

ротора; Ч разбивка ротора на сектора, б - диаграмма

разбалансировки ротора.

нумерации линий может быть произвольным: по часовой стрелке или против. Ротор с прикрепленным к нему равновешивающим грузома поварачивают таким образом, чтобы линия под номером 1 оказалась в горизонтальной плоскости. К боковой поверхности ротора напротив линии 1 прикрепляют пробный груз такой величины, масса которого достаточна (без избытка) для выводфа ротора из состояния равновесия. Величину пробного груза, приводящего к разбалансироки ротора, определяют опытным путем, посредством прикрепления к ротору мелких порций пластилина ло тех пор, пока он не придет в движение. Затем груз снимают и взвешивают на весах с точностью до десятых долей грамма. Аналогичные операции поочередно выполняют для всех других положений ротора, обозначенных номерами. Пол данным о величине пробных грузов, вызывающих дисбаланс ротора в его различных положениях, строят диаграмму (см. рис. 3.2). По диаграмме определяют максимальную (m_max) и минимальную (m_min) массу пробного груза, необходимого для вывода ротора из равновесия. Там, где распологается груз наибольшей величины, находится легкая сторона ротора, в том месте, где станавливается груз наименьшей величины, находится тяжелая сторона ротора. Следует подчеркнуть, что грузы m_max и m_min должны находиться в диаметрально противоположных точках. Для странения скрытой неуравновешенности ротора на его легкрй стороне прикрепляют корректирующий груз, масса которого определяется по формуле:

m_k = 0,5 (m_max - m_min) (31)

Момент сопротивления (трения), обусловленный силами, припятствующими возникновению момента на датчике, составляет:

Mтр.= m_k g R_k (32)

где R_k Ч расстояние от центра массыкорректирующего груза до оси

вращения ротора.

Суммарная сила сопротивления (трения), действующая в месте контакта призмы с подушкой опоры, составляет:

Fтр. = Mтр. /r = 2m_k g R_k / d (33)

Отношение силы сопротивления к весу ротора характеризует чувствительность стройства и определяет качество балансировки ротора:

d = Fтр. k R_k / m_R d (34)

Второй этап балансировки считают законченным, если определены величина и место станрвки корректирующего груза. после него пристунают к определению места расположения и величины рабрчего равновешивающего груза. Для обеспечения работоспособности ротора в процессе эксплуатации необходимо заменить срееменные равновешивающий и корректирующий грузы одним рабочим грузом, который будет находиться на роторе постоянно. Материал рабочего груза, его место расположения и вид соединения с ротором должны вибираться с четом безопасности, надежности и долговечности оборудования. Принемается во внимание требование к технологичности ремонтно-восстановительных операций, например, добство крепления и подбора груза. На практике при выполнении ремонта оборудования наибольшее применение получили следующие способы странения неуравновешенности роторов:

Ч крепление рабочего груза к легкой стороне ротора посредством неразъемных соединений (сварка, пайка, клепка);

Ч крепление рабочего груза к легкой стороне ротора посредством разъемных соединений (резьб, зажимов);

Ч даление избыточной части материала с тяжелой стороны ротора посредством сверления или шлифовки.

Последней стадией статической балансировки является контроль качества равновешиваемого ротора. Эта стадия выполняется следующим образом. Ротор после становки рабочего равновешивающего груза вновь помещается на балансировочный стенд. Правильно отбалансированный ротор должен пребывать в состоянии равновесия в любом положении. Поворачивая ротор на различный гол, следует бедиться в том, что он не будет создавать статического момента. Если данное требование выполняется, процесс статической балансировки считают законченным. В противном случае процесс балансировки повторяется.

4. КОНСТРУКТОРСКАЯ ЧАСТЬ, НАИМЕНОВАНИЕ.

4.1 Конструкция и принцип действия

Балансировочный стенд представляет собой сврную конструкцию из профилей проката. становка состоит из нескольких осрновных чатей. Это рама, на которой раполагается основной зел. Это рабочая платформа с измерительной рамкой. Подвижная часть стенда размещена на раме. Подвижная рама опирается на призмы. Коэффициент трения которых очень низок. Здесь также предусмотрена настройка соосности верхней грани призмы с центральной осью вращения ротора. Это необходимо для повышения точности измерения. Призмы стенда изготовлены из инструментальной стали У8. Они подвергнуты определенной термической обработке. Испытуемый вал размещается на опорных V-обраных призмах. Проще говоря становка представляет собой неравноплечные неуравновешенные весы. С одной стороны на стенде размещена измерительная часть. Она посредством рычагов связана с чувствительным элементом. Призмы и опоры должны точно собираться, для предотвращения погрешности измерения. Для надежного держания измерительной части в "замке", здесь предусмотрена конструкцией пружина растяжения. В качестве чувствительного элемента здесь используются прмышленный датчик Сапфир 2ДА. Он преобразует механический момент в электрическое сопротивление. Это необходимо для последующих преобразований выходного сигнала. После датчика сигнал поступает на электронный усилитель сигнала. Он поставляется в комплекте с датчикогм Сапфир 2ДА.

В качестве вторичного прибора используется ниверсальный электронный вольтметр, с высокой точностью измерения. Питание усилителя производится от источника постоянного питания 3В. Все исользуемое оборудование должно агрегатно и эргономично распологаться на рабочей поверхности лабораторного стола. Все злы правления доступны и просты. Питание становки осуществляется от сети 22В переменного тока. Все подведенные электрические кабеля заизолированны. О подачи питания сигнализирует лампочка на щитке питания. И еще лампочки-индикаторы на самих измерительных приборах. становка также заземлена.

4.2 Расчет технической характеристики.

Полагая что наша становк является экспереметальной, и многие данные могут быть получены только опытным путем, мы оперируем данными приведенными в литературных источниках.

4.3 Расчеты на прочность.

Для обеспечения необходимой точности измерений величина прогиба на верхней измерительной плите должна составлять 0,05 от всей длины. ниверсальрое равнение для определения прогоибов балки:

w(z) = 0 + 0 z + 1 /EJ [M₀ z² / 2! + Q₀ z³ / 3! - q z⁴ /4!] (31)

Из словия равновесия: М₀= М_А = - lP

Q₀ = R_A = P0

Так как начальная координата совпадает с балкой, то : 0 = 0; 0 = 0.

Тогда уравнение прогибов на длине l будет:

w(l) = 1 /EJ [-l *P* l² / 2! + P l³ / 3!] (32)

w = 300/ 2*10¹¹ * 89,4 * 10^-8 *2 *(-5/6 * 0,68³) = 0,219 m

0,219 m < 0,34

Условие прочности выполняется.

рис. 4.1

6. ЭКОНОМИЧЕСКЯа ЧАСТЬ

Стенд с аппаратом для изучения процессов статической балансировки предназначен для учебных целей и проведения на нем лабораторных занятий.

Ориентировочный срок эксплуатации стенда 3 года.

Для изготовления и монтажа стенда необходимы некоторые покупные изделия и материалы. Потребность в материалах и оборудовании приведена в таблице 6.1.

В расчете чтены амортизационные отчисления с становки.

Накладные расходы при эксплуатации становки составята 30 % от стоимости становки. В накладные расходы включаются расходы на содержание обслуживающего персонала и изготовление стенда.

Таблица 6.1

Стоимость оборудования, сырья и материалов на создание стенда

Поз.	Наименование	Ед. измерения	Кол.	Цена за единицу, руб.	Общая стоимость, руб.
1.	Сырье и материалы
1.1	Электроэнергия	кВт<×ч	5	0,12	0,60
1.2	Болты и гайки	кг	1	6,25	6,25
1.3	Швеллер №10а ГОСТ 8240-72	п	3	2,41	7,23
1.4	Швеллер №8 ГОСТ 8240-7	п	2	2,40	4,80
Поз.	Наименование	Ед. измерения	Кол.	Цена за единицу, руб.	Общая стоимость, руб.
1.5	Уголок равнополочный №4а ГОСТ 8509-72	п	2	2,10	4,40
1.6	Уголок равнополочный №3,6 ГОСТ 8509-72	п	1	2,10	2,10
1.7	Уголок равнополочный №2,5а ГОСТ 8509-72	п	2	2,00	2,00
1.8	Пружина	шт.	1	5,00	5,00
1.9	Сталь листовая	м2	0,5	6,00	3,00
1.10	Призма для валов	шт.	4	15,00	60,00
1.11	Подушка под призму	шт.	4	20,00	80,00
1.12	Опора под вал	шт.	2	20,00	40,00
1.13	Регулировочная опора	шт.	2	30,00	60,00
1.14	Электрод сварочный	шт.	20	1,00	20,00
1.15	Провод соединительный медный в изоляции двужильный	м	10	2,00	20,00
	итого:				319,58
2.	Приборы и оборудование
2.1	Преобразователь первичный САПФИР 2ДАФ	шт.	1	160,00	160,00
2.2	Преобразователь вторичный САПФИР 2ДАФ	шт.	1	140,00	140,00
2.3	Вольтметр ниверсальный В7-1А	шт.	1	700,00	700,00

продолжение табл. 6.1

Поз.	Наименование	Ед. измерения	Кол.	Цена за единицу, руб.	Общая стоимость, руб.
2.4	Блок питания 2БП-36	шт.	1	300,00	300,00
2.5	Блок-автомат с тепловым реле	шт.	3	50,00	150,00
	итого:				1450,00
	Суммарныеа затраты				1769,58

При эксплуатации становки потребляется 5 кВт<×ча электроэнергии, что составит 98 рублей.

становка для статической балансировки является исключительно лабораторным стендом иа использоваться в качестве промышленной становки не может. Норма расходов на содержание и эксплуатацию стенда составляет 8% от общей стоимости затрат.

После суммирования затрат общая стоимость и расходы на эксплуатацию становки составята 1859,66 рубля.

5. ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ

Согласно НиПа II - 68 - 78, Нормы проектирования высших учебных заведений лаборатории следует размещать по возможности в цокольных этажах.

В лаборатории должна предусматриваться система горячего и холодного водоснабжения и канализация.

Площадь лаборатории должна быть не менее 60 м².

Рассматриваемая лаборатория прочности оборудования отвечает всем вышеперечисленным требованиям.

5.1. Анализ потенциально опасных и вредных факторов лаборатории прочности оборудования.

В лаборатории прочности оборудования имеются опасные и вредные факторы, которые при определенных словиях могут привести к травме или худшению здоровья людей, находящихся в ней.

Все эти факторы вызваны определенными условиями и спецификой проведения работ в лаборатории. При определенных условиях эти факторы могут стать опасными. Основной опасный фактор это поражение электрическим током. Поэтому необходимо при разработки лабораторных стендов учитывать это начиная с первой стадии заканчивая пуско-наладочными работами. Также в лаборатории есть вероятность травм от вращающихся частей машин и механизмов.

Перечень опасных и вредных факторов показан на рис. 5.1а также приведен в таблице 5.2.

Таблица 5.1

Характеристика помещения

Наименова<- ние	Категория по ОНТП-24-86	Категория и группа взрывоопасной смеси	Класс помещения по электроопасности	Группа производсвных процессов по НиП 2.09.04-87
Лаборатория прочности оборудования	В	Ч	С повышенной опасностью	1-а

Таблица 5.2

анализ опасных и вредныха факторов лаборатории

Наименованиеа становки	Вредный фактор, обозначение на схеме	Параметры, причины
Печь	Повышенная температура (Т) Повышенное напряжение (Н)	(50-600 ОС) нормальный режим работы (220 В) аварийный режим работы
Наименованиеа становки	Вредный фактор, обозначение на схеме	Параметры, причины
Установка для определения критической скорости вала	Повышенное напряжение (Н) Движущиеся части (ДЧ)	(220 В) аварийный режим работы
ппарат для перемешивания жидких сред	Повышенное напряжение (Н) Повышенный шум (Ш) Повышенное давление (Д)	(220 В) аварийный режим работы (35 дБ) нормальный режим работы (0,1 Па) аварийный режим работы
Барабанный смеситель сыпучих материалов	Повышенное напряжение (Н) Движущиеся части	(220 В) аварийный режим работы
Стенд для статической балансировки роторов	Повышенное напряжение (Н)	(220 В) аварийный режим работы

Как видно отсюда кроме поражения электрическим током есть возможность получить термический ожег от печи.

На рис. 5.1а приведена схема стенда для статической балансироки валова находящейся в лаборатории (см. рис. поз. 5).

Стенд для статической балансировки валов представляет собой конструкцию сварного типа 1 из сортового проката рис 5.2. Сигнал дибаланса передается с механической части установки на электрический тензодатчик 2. Оттуда сигнал же идет на первичный преобразователь 3, т.е. силитель. А непосредственно с преобразователя сигнал же идет на вторичный прибор 4, работающий от сети 22В. Питание преобразователя осуществляется от блока питания 5, который также запитан от сети 22В. Необходима здесь надежная изоляция проводки, и заземление всей становки.

Рис. 5.1а Вредные и опасные факторы экспериментальных становок лаборатории прочности оборудования.

1 - печь; 2 Ч становка для определения критической скорости вала;

3 - аппарат для перемешивания жидких сред; 4 Ч барабанный смеситель сыпучих материалов; стенд для статической балансировки валов;

6 - рабочие столы; 7 - стол преподавателя; 8 Ч складское помещение;

ДЧ Ч движущиеся части; Д - повышенное давление; Ш - повышенный ровень шума; Т Ч повышенная температура; Н - повышенное напряжение.

Экспериментальная становка для исследования процессов перемешивания жидких сред имеет цилиндрический корпус из органического стекла, расположенный на двух опорах и заполненный дистиллированной водой с температурой 20^ОС. В аппарате находятся три перемешивающих устройства, которые приводятся во вращение двигателями постоянного ток и запитанными от электрической сети 220 В. Поэтому имеется возможность поражения человека электрическим током высокого напряжения. В процессе перемешивания в аппарат с помощью системы впрыск вводится с большой скоростью раствор поваренной соли (трассер). Для создания давления при вводе трассера используется компрессор. После проведения эксперимент жидкость из аппарата сливается в сливной бак для тилизации.

Рис.5.2а Схема стенда для статической балансировки роторов.

1 - стенд для статической балансировки; 2 - тензопреобразователь; 3 - первичный преобразователь; 4 - вторичный прибор; 5 - блок питания.

5.2. Освещение

Освещение должно осуществляться искусственным и естественным путем [ <].

Естественное освещение осуществляется через четыре окна в стене. Искусственное освещение предназначено для освещения рабочих мест в темное время сутока или при недостаточном естественном освещении. Оно создается дополнительными источниками света.

Помещение по задачам зрительной работы относится ка Iа группе.

Световой поток необходимый для работы в лаборатории

F = Е_Н <× S <× k <× z /

где : S = 60 м² - площадь помещения

Е_Н = 300 к - нормируемая освещенность

k = 1,3 - коэффициент запаса

z = 1,2 - коэффициент неравномерности освещения

h = 0,65 - коэффициент использования светового потока

расстояние от потолка до рабочей поверхности

Н_О = Н - h_p = 3,5 - 1 = 2,5 м;

где : Н - высота потолка; h_p - высота столов;

Расстояние от потолка до светильников

h_c = 0,2 H_Oа <= 0,2 <× 2,5 = 0,5 м;

Высота подвеса над рабочей поверхностью

Н_р = Н_О Ч h_c = 2,5 - 0,5 = 2 м;

Расстояние между светильниками

a = 1,5 <× Н_р = 1,5 <× 2 = 3 м;

Количество светильников

n = A <× B / 2 = 6 <× 10 / 3² <= 7 принимаем

Подбираем по табл. 2.8. [ <] лампы люминесцентные общего назначения ЛБЖ 110а исходя из требуемого светового потока 5400 лм

световой поток, лм 5600

напряжение на лампе, В 90

мощность, Вт 110

ток лампы, 3,5

средняя продолжительность горения, ч 5

По табл. 2.1. [ <] выбираем тип светильник ЛПа 02 - 2 х 80 / Д20

5.3. Отопление

В лаборатории предусматривается водяное отопление с радиаторами и конвекторами при температуре теплоносителя 80^ОС (однотрубная схема отопительных трубопроводов)

5.4. Пожарная безопасность

В рассматриваемой лаборатории имеются источники возникновения пожара. В основном это электрооборудование, поэтому при возникновении загорания для предотвращения распространения огня и тушения его предусмотрены следующие первичные средства пожаротушения:

Ч огнетушители ОУ - 5 1 шт.

ОП - 5 1 шт.

Ч ящик с песком вместимостью 0,5 м³ и лопат [ <]

5.5. Техника безопасности

Ч к работе в лаборатории допускаются лица прошедшие инструктаж по технике безопасности и сдавшие зачет преподавателю.

Ч работа разрешается при наличии халатов на студентах и лаборантах.

Ч при проведении лабораторных работ следует соблюдать правила электробезопасности [ <] при работе с электрооборудованием (электродвигатели, контрольно-измерительные приборы). Каждая становка должна иметь заземление, все токоведущие части должны иметь надежную изоляцию.

Ч все движущиеся части становки находятся внутри аппарата, поэтому запрещается включать питание становки со снятыми крышками аппарата.

Ч Запрещается:

1. самостоятельно делать какие-либо переключения в системе электрообеспечения.

2. покидать включенную становку при отсутствии лаборанта или преподавателя.

3. самостоятельно проводить работы на установке.

7. Автоматизация балансировочного процесса.

Технико-экономические расчеты показывают целесообразность автоматизации балансировочных операций.

Кроме экономической эффективности автоматизация дает возможность с спехом разрешить ряд организационных задач.

Балансировочная операция характеризуется тем, что контроль её качества осуществляется на том же оборудовании, что и сама операция.

Обеспечить стабильное качество балансировки в крупносерийном производстве можно только при применении автоматизации. Номенклатура деталей, подлежащих балансировке, достаточно широка. К ним следует отнести вращающиеся детали автомобильных двигателей, роторы гироскопов и многие другие.

Также как и при других технологических процессах, задачи балансировки в крупносерийном и массовом производстве наиболее экономически целесообразно решать мс помощью специального оборудования, конструкция которого определяется многими факторами. К наиболее существенным из них следует отнести тип равновешивания, технологический этап уравновешивания, систему координат при равновешивании, способ даления неуравновешенной массы, степень автоматизации, направление оси изделия при уравновешивании и др.

В зависимости от технического ровня производства и технико-экономической целесообразности в балансировочных станках может применяться различная степень автоматизации процесса измерения и механизация странения неуравновешенности.

При этом перенос необходимых данных на исполнительную позицию для странения дисбаланса осуществляется оператором по выходным данным приборов. В наиболее сложных случаях применяется полная автоматизация, включающая автоматизацию измерения, переноса данных на исполнительную позицию, странения неуравновешенности, подналадки системы и автоматизацию транспортировки. Несмотря на большое многообразие схем и конструкций автоматического балансировочного оборудования, они могут быть приведены к двум основным обобщенным функциональным схемам:

система автоматического равновешивания при странении дисбаланса с неподвижной детали (САУН) ;

система автоматического равновешивания при странении дисбаланса с вращающейся детали (САУВ).

1

2 3

4

а

рис. 7.1

На рисунке 7.1 представлена функциональная схема стенд для статической балансировки роторов. Схема стенда представляет собой неуравновешенные весы. В одно плечо из которых включен тензопреобразователь 4, на который сигнала возникновения дисбаланса поступаета от плеча весов. силие от перемещения штока чувствительного элемент преобразуется в изменение электрического сопротивления. По проводнику этот сигнал поступает в электронный преобразователь 2, где сигнал датчика преобразуется в стандартный сигнал от 0-5мА. Далее мы его можем зарегистрировать на вторичном приборе 3. Усилитель у нас включен от блока питания 1, с напряжением питания 3В.

Тензопреобразователь мембранно-рычажного типа рис.7.2а размещен внутри основания и отделен от измеряемой среды мембраной.

Мембраны по наружному контуру приварены к основанию и соединены между собой штоком 2, который связан с концом рычага тензопреобразователя 1.

2

1

а

рис. 7.2 Тензопреобразователь

Воздействие измеряемого давления вызывает прогиб мембраны, и соответственно изменение сопротивления тензопреобразователя.

рис.7.3 Электронный преобразователь.

Электронный преобразователь смонтирован на трех пластинаха 4, 5, 13 рис.7.3, размещен внутри специального корпуса 3, закрыт крышками 2, 6 плотненными резиновыми кольцами. Преобразователь имеет сальниковый кабельный ввод 11, клеммную коробку19 для присоединения жил кабеля, винт 1 для присоединения экрана, в случае использования экранированного кабеля, и болт заземления корпуса.

Корректоры 9 и 10 служат соответственно для плавной настройки диапазона и нуля выходного сигнала.

Перемычка 16 служит для ступенчатого смещения нуля, перемычка 17- для ступенчатой настройки диапазона выходного сигнала, перемычки 14,15- для изменения направления смещения нуля.

В качестве вторичного прибора мы используема вольтметр ниверсальный В7-1А который предназначен для измерения напряжений, постоянного и переменного токов, активного сопротивления при регламентных ремонтных и регулировочных работах в различных областях электроники, также для поверки приборов. Класс точности прибора составляет для постоянного напряжения 1*10^-4В d<=0,05%. Соответственно и по току. Что вполне довлетворяет пределу нашей точности.

Все приборы и оборудование должны пройти поверку и испытание в центре стандартизации и метрологии. Соответственно должно быть проставлено клеймо, разрешающее лабораторное использование приборов.

6. Монтаж, эксплуатация и ремонта экспериментальной становки.

6.1. Общая характеристика становки.

становка представляет собой экспериментальный стенд для исследования процесс статической балансировки роторов. На нем можно проводить лабораторные занатия студентами.

становка поставляется на монтаж в виде следующих частей : опытный часток, монтажная рама, датчик Сапфир 2ДИ, силитель электронный, прибор вторичный (универсальный вольтметр), блок питания, система автоматов для потключения становки сети питания, тумблеров правления. Габаритные размеры стенда, м:

ширин 0,5

длин 1,0

высот 1,0.

6.2. Требования к монтажу.

6.2.1.Порядок монтажа становки.

Для обеспечения добства монтажа необходимо обеспечить свободный доступ к месту работы.

Для этого вокруг места работы должны быть оставлены проходы шириной не менее 1.5 м.

Стенд должен монтироваться не ближе 1.5 м от источника тепла, чтобы не допускать перегрев среды в аппарате.

Стенд монтируется на монтажной раме, которая опирается на пол регулируемыми опорами. Высота помещения должна быть не менее 2.5 м, помещение должно иметь вентиляцию.

Исполнители монтажа должны пройти предварительный инструктаж по технике безопасности при монтажных работах. Исполнители монтажа в обязательном порядке должны пользоваться средствами индивидуальной защиты, использование которых оговорено в инструкции по технике безопасности.

Монтаж стенда целесообразно производить в следующей последовательности:

1) Монтажная рама станавливается на полу в рабочем положении на опоры.

2) На раму крепится верхняя стойка с помощью втулок и и шариков.

3) На верхнюю стойку станавливается измерительная рамка с приспособлением для крепления на ней измеряемого ротора.

4) Необходимо соблюсти взаимную центровку призм и подушек методом точной настройки.

5) На верхнюю раму станавливается тензометрический датчик.

6) К выходу датчика необходимо подключить силитель.

7) Все подключения следует делать особо тщательно. Далее с выхода силителя сигнал подводится на вторичный прибор.

8) Питание усилителя производится от блока постоянного питания 3В

9) Все компоненты и злы становки необходимо эргономично и доступно разместить на рабочем столе.

10) По окончании монтажа все подвергается тщательному осмотру и проверке.

6.2.2. Послемонтажные испытания стенда.

После окончания монтажа необходимо убедиться в исправности заземления всех частей, которые в случае неисправности могут оказаться под напряжением, целостности изоляции токоведущих частей и провести контроль сопротивления изоляции. Включива измерительные приборы, бедиться в их работоспособности.

На становке проверяют начальный момент. На силители при необходимости расширяют диапазон измерений. Для этого на нем переставляют необходимые перемычки. Необходимо добиться становки УФ на вторичном приборе. Необходима также градуировка прибора. Делатся это с помощью контрольных грузов, несколько раз. Находится в конце измерений среднее значение величин. Состовляется таблица по которой же выставляется вторичный прибор.

6.2.3. Требования по содержанию и эксплуатации.

К работе на становке допускаются лица, прошедшие инструктаж по технике безопасности на данной становке. Стенд должен эксплуатироваться в помещении при температуре окружающего воздуха 15 - 20 ^ОС, с влажностью воздуха не более 90 %. Стенд необходимо предохранять от прямого воздействия повышенной или пониженной температуры.

Во время работы становки нельзя допускать дары, толчки и другие механические воздействия на становку. Обслуживающий персонал должен пользоваться средствами защиты, перечисленными в инструкции по технике безопасности.

6.2.4. Порядок пуска.

Перед пуском необходимо бедиться, что становка механически не повреждена. Осмотреть внешнюю электропроводку. Пуск становки осуществляется следующим образом: ручки правления напряжением устанавливаются на нулевые отметки. Подается питание на становку, все системы прогревыются в течении 10 минут. Затем проиизводят корректировку нуля. Далее можно же проводить эксперимент.

6.2.5. Порядок остановки.

Остановка стенда осуществляется следующим образом: отключается внутреннее затем внешнее электрическое питание всей становки.

6.3. Техническое обслуживание аппаратуры стенда.

Техническое обслуживание стенда для статической балансировки в процессе эксплуатации разделяют на три вида: ежедневное, ежемесячное и полугодовое.

Ежедневное техническое обслуживание предусматривает осмотра стройств станка: проверку надежности крепления его элементов; проверку правильности работы отдельных злов; очистку и смазку рабочей станины и балансировочного устройства, контроль датчика и вторичного прибора.

При ежемесячном техническом техническом обслуживании проверяют правильность работы всех устройств стенда. Конторолируют момент по тарировочному ротору.

Полугодовое техническое облуживание включает проверку станка и приспособлений на соответствие паспортным данным приборов и оборудования. Выполняют все работы, необходимые для ввода станка в эксплуатацию. Проверяют и смазывают все рабочие злы механической части установки, проверяют и относат на поверку вторичный прибор и преобразователь, также проверке подлежит силовое оборудование, заземление, выполняют необходимый профилактический ремонт. Настраивают стенд на далансировку ротора определенной массы и геометрии, балансируют становочную массу роторов.

Все виды технического обслуживания станка оформляют соответствующими документами.

6.5 Техническое обслуживание основных злов стеда.

Плоскую сстанину балансировочного стенда достаточно преодически очищать от пыли, смазывать стойки, проверять надежность крепления основных узлов. Нерабочие поверхности красят для предотвращения коррозии.

Рабочие призмы балансировочного станка требуют минимального технического обслуживания. Их достаточно переодически протирать и смазывать.

Однако в процессе длительной эксплуатации возможны случайные сбои вызванные механическими повреждениями. Это сильно слияет на технические характеристики установки.

7. Автоматизация балансировочного процесса.

Технико-экономические расчеты показывают целесообразность автоматизации балансировочных операций.

Кроме экономической эффективности автоматизация дает возможность с спехом разрешить ряд организационных задач.

Балансировочная операция характеризуется тем, что контроль её качества осуществляется на том же оборудовании, что и сама операция.

Обеспечить стабильное качество балансировки в крупносерийном производстве можно только при применении автоматизации. Номенклатура деталей, подлежащих балансировке, достаточно широка. К ним следует отнести вращающиеся детали автомобильных двигателей, роторы гироскопов и многие другие.

Также как и при других технологических процессах, задачи балансировки в крупносерийном и массовом производстве наиболее экономически целесообразно решать мс помощью специального оборудования, конструкция которого определяется многими факторами. К наиболее существенным из них следует отнести тип равновешивания, технологический этап уравновешивания, систему координат при равновешивании, способ даления неуравновешенной массы, степень автоматизации, направление оси изделия при уравновешивании и др.

В зависимости от технического ровня производства и технико-экономическойа целесообразности в балансировочных станках может применяться различная степень автоматизации процесса измерения и механизация странения неуравновешенности.

При этом перенос необходимых данных на исполнительную позицию для странения дисбаланса осуществляется оператором по выходным данным приборов. В наиболее сложных случаях применяется полная автоматизация, включающая автоматизацию измерения, переноса данных на исполнительную позицию, странения неуравновешенности, подналадки системы и автоматизацию транспортировки. Несмотря на большое многообразие схем и конструкций автоматического балансировочного оборудования, они могут быть приведены к двум основным обобщенным функциональным схемам:

система автоматического равновешивания при странении дисбаланса с неподвижной детали (САУН) ;

система автоматического равновешивания при странении дисбаланса с вращающейся детали (САУВ).

1

2 3

4

а

рис. 7.1

На рисунке 7.1 представлена функциональная схема стенд для статической балансировки роторов. Схема стенда представляет собой неуравновешенные весы. В одно плечо из которых включен тензопреобразователь 4, на который сигнала возникновения дисбаланса поступаета от плеча весов. силие от перемещения штока чувствительного элемент преобразуется в изменение электрического сопротивления. По проводнику этот сигнал поступает в электронный преобразователь 2, где сигнал датчика преобразуется в стандартный сигнал от 0-5мА. Далее мы его можем зарегистрировать на вторичном приборе 3. Усилитель у нас включен от блока питания 1, с напряжением питания 3В.

Тензопреобразователь мембранно-рычажного типа рис.7.2а размещен внутри основания и отделен от измеряемой среды мембраной.

Мембраны по наружному контуру приварены к основанию и соединены между собой штоком 2, который связан с концом рычага тензопреобразователя 1.

2

1

а

рис. 7.2 Тензопреобразователь

Воздействие измеряемого давления вызывает прогиб мембраны, и соответственно изменение сопротивления тензопреобразователя.

рис.7.3 Электронный преобразователь.

Электронный преобразователь смонтирован на трех пластинаха 4, 5, 13 рис.7.3, размещен внутри специального корпуса 3, закрыт крышками 2, 6 плотненными резиновыми кольцами. Преобразователь имеет сальниковый кабельный ввод 11, клеммную коробку19 для присоединения жил кабеля, винт 1 для присоединения экрана, в случае использования экранированного кабеля, и болт заземления корпуса.

Корректоры 9 и 10 служат соответственно для плавной настройки диапазона и нуля выходного сигнала.

Перемычка 16 служит для ступенчатого смещения нуля, перемычка 17- для ступенчатой настройки диапазона выходного сигнала, перемычки 14,15- для изменения направления смещения нуля.

В качестве вторичного прибора мы используема вольтметр ниверсальный В7-1А который предназначен для измерения напряжений, постоянного и переменного токов, активного сопротивления при регламентных ремонтных и регулировочных работах в различных областях электроники, также для поверки приборов. Класс точности прибора составляет для постоянного напряжения 1*10^-4В d<=0,05%. Соответственно и по току. Что вполне довлетворяет пределу нашей точности.

Все приборы и оборудование должны пройти поверку и испытание в центре стандартизации и метрологии. Соответственно должно быть проставлено клеймо, разрешающее лабораторное использование приборов.

9. ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

В проведенной научной работе была выявлена перспектива развития данного направления изучения балансировочных процессов. Базовая модель была взята из научной работы [13], выполненной В.В. Мартынюком, А.С. Родилоновым, А. Павлюченко. Но в настоящей работе было изменено конструкционное и измерительное оснащение. Литые детали были заменены сортовыми, измерительная часть с механической на электрическую.

В литературно-патентном разделе было изучено много источников, что позволило решить многие проблемы связанные с конструкцией стенда. Конструкция разрабатывалась в соответствии с требованиям принятыми [2 (с. 530)]. Для проведения контроля процесса, были рассмотрены и изучены литературные источники [4,5,6]. В конечном этапе был выбран оптимальный датчик для измерения силия.

Экспериментальная и конструкторские части подробно ознакамливают с сутью готовой конструкции. В них заложена база для дальнейшей модернизации отдельных злов. Дана также методика проведения эксперимента. Целесообразно продолжить работу в этом направлении. Для проведения лабораторных работ это вялятся необходимым.

Раздел техники безопасности показал что установка является безопасной для обслуживающего её персонала и студентов. Выбранные электрические стройств являются в большинстве смоем низковольтными.

В экономической части необходимо было исходить к изготовлению данного стенда из наименьших затрат. Но в конечном итоге это не должно сказываться на качестве и точности стенда. Выбранный вариант оптимален.

Контроль осуществляется серийным датчиком, что является добным в обслуживании и поверке.

Дальнейшим в перспективе рекомендуется повышать точность становки. Для этого нужно рассмотреть и изучить новые, бесконтактные методы измерений. Интересным также является направление развития установок с газостатическими опорами.