Дудников
В.С., Гейда Е.Г., А.Г. Макаренков
Днепропетровский
национальный университет
ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ
НАГРУЖАЮЩИЕ УСТРОЙСТВА
В практике
испытаний на прочность натурных объектов машиностроительных конструкций
наибольшее распространение получили гидравлические нагружающие устройства. Они
имеют промежуточные звенья в виде дроссельных заслонок, вызывающих
нежелательные колебательные процессы, которые повышают инерционность и снижают
быстродействие всей системы. Это затрудняет автоматизацию процесса управления
несколькими нагружающими устройствами при многоточечном нагружении. Кроме того,
при эксплуатации подобных систем выявились такие недостатки, как громоздкость
насосных станций, большая стоимость золотников, электрогидроклапанов, наличие
множества разъемных соединений, требующих тщательной затяжки (в связи с этим
подготовка к испытаниям занимает много времени), неизбежность попадания масла
на пол при разборке гидравлической системы, что создает опасные условия работы
и ухудшает санитарное состояние. С целью устранения указанных недостатков
на кафедре технической механики Днепропетровского национального университета
разработано электромеханическое нагружающее устройство на базе одноступенчатого
волнового зубчатого редуктора, передающего движение от электродвигателя к
винтовой паре поступательного перемещения. По достижении заданного тягового
усилия на выходном штоке нагружающего устройства, присоединенного к
испытываемому объекту, силоизмерительное устройство подает команду на
отключение двигателя. Управляя частотой вращения двигателя (или временем его
включения) и направлением его вращения, можно с требуемой точностью
осуществлять нагружение по заданной во времени программе. Быстродействие повышается
за счет передачи функции управления тяговым усилием непосредственно
электродвигателю, а по командам от автономных блоков управления или от ЭВМ
можно производить нагружение испытываемого объекта сразу несколькими усилиями
одновременно, имитируя во времени эксплуатационные законы нагружения. В результате анализа технических
характеристик используемых в настоящее время испытательных машин и
силоизмерительных устройств отечественного и зарубежного производства нами
предложен и разработан следующий параметрический ряд электромеханических
нагружающих устройств: 0,5 (0,05); 1 (0,1); 2 (0,2); 5 (0,5); 10 (1,0) 20
(2,0); 50 (5,0); 100 (10,0); 200 (20,0); 500 (50,0); 1000 (100,0); 2000 (200,0)
кН (тс). В процессе работы над параметрическим рядом нагружающих устройств были
разработаны методики кинематического, геометрического, силового и прочностного
расчетов зубчатых передач внешнего и внутреннего зацеплений, планетарных
передач, волновых зубчатых передач, передач винт-гайка трения скольжения, а
также методика взаимной увязки проектных параметров составных частей нагружающих
устройств.
Размеры
силовых винтов и гаек, их материалы и режимы термической обработки назначались
из условия обеспечения длительной работоспособности по критерию износа.
Допустимое удельное давление для пары материалов сталь – бронза не превосходило
12 МПа. В ходе испытаний экспериментальных образцов было признано
целесообразным применить трапецеидальную резьбу, так как в этом случае в
условиях неспециализированного производства легче добиться контактирования
витков винта и гайки по всей их площади. Шаг резьбы винтовой пары назначался из
условия надежного самоторможения, что гарантирует безопасные условия
эксплуатации при испытаниях, например, при внезапном (аварийном) отключении
питания электродвигателя. Кроме того, это позволяет удерживать нагрузку неограниченно
долгое время при отключенном двигателе, что необходимо при испытаниях на
длительную прочность, климатических испытаниях под нагрузкой. В ряде разработанных и
изготовленных конструкций нагружающих устройств использованы оригинальные
детали (гибкое и жесткое колеса, генератор деформаций) волновых зубчатых
редукторов общего назначения, освоенных в серийном производстве Киевским
редукторным заводом. Так, для нагружающих устройств с номинальными усилиями 10,
50, 200 кН были использованы гибкие колеса с внутренними диаметрами 62,
80, 160 мм соответственно. Для усилия 1000 кН (100 тс) авторами
было специально разработано, а Киевским заводом из стали 30 ХГСА,
подвергнутой двойному электродуговому вакуумному переплаву, изготовлено гибкое колесо
с внутренним диаметром 240 мм. Колесо имеет 494 зуба с модулем
0,5 мм. Размеры гибких колес волновых передач определялись по величине
крутящего момента на гайке винтовой пары, необходимого для создания заданного
номинального тягового усилия. При нагрузке 1000 кН этот момент составляет
14000 Нм (1428 кгс.м), что является рекордным удельным показателем
для волновых передач. Технические характеристики изготовленных и испытанных
нагружающих устройств приведены в таблице 1. В качестве привода использованы электродвигатели
постоянного тока с напряжением питания 27 В, что обеспечивает безопасные
условия эксплуатации, в частности при испытании конструкций, заполненных
жидкостью. В целях обеспечения возможности управления нагружающим устройством не
только по развиваемому усилию, но и по перемещению, его снабжают
фотоэлектрическим датчиком линейных перемещений. Разрешающая способность такого
датчика для устройств на 1000 кН составляет 0,025 мм, при этом
накопленная погрешность на рабочем ходе 350 мм составляет 0,024 мм. Нагружающие устройства оснащены концевыми выключателями рабочего
хода, обеспечивающими полную безопасность их эксплуатации, исключая аварийные
ситуации, связанные с разборкой под нагрузкой передачи винт-гайка при
выдвижении штока или, наоборот, заклинивании передачи при втягивании штока
(винта). Концевые выключатели являются частью системы управления, учитывающей
особенность процесса нагружения с помощью электромеханических устройств, когда
развиваемое усилие зависит от величины перемещения штока и жесткости нагружаемого
объекта в точке приложения силы. а также имеет место взаимное влияние
нагружателей друг на друга. Вследствие этого система нагружения пространственных
конструкций многими силами с помощью
Таблица 1
|
Развиваемое
усилие |
1
тс |
5
тс |
20
тс |
100
тс |
|
Рабочий
ход, мм |
100 |
200 |
200 |
350 |
|
Скорость
штока, мм/с |
0,4 |
1 |
0,25 |
0,12 |
|
Напряжение питания
двигателя, В |
27 |
27 |
27 |
27 |
|
Мощность
двигателя, Вт |
7 |
120 |
120 |
450 |
|
Габаритные
размеры, мм |
550х Ø100 |
900х Ø130 |
1000х Ø215 |
910х Ø350 |
|
Масса,
кг |
7 |
22 |
100 |
250 |
электромеханических
нагружающих устройств относится к классу многомерных систем автоматического
управления с перекрестными связями. В основу разработанных систем управления заложен
принцип гибкой и оперативной
перестройки звеньев замкнутого контура управления нагружением, определяющих
точность нагружения и быстродействие в таких пропорциях, при которых запас
устойчивости остается минимальным. Выбранный контур управления нагружением по
характеру внутренних динамических процессов относится к системам релейного
действия, производящим нагружение по программе в виде ступенчатой функции.
Ступенчатое нагружение является наиболее распространенным видом в практике
прочностных испытаний и позволяет применять более простые технические решения
и использовать ЭВМ в качестве задатчика
программ. Для проведения ресурсных испытаний электромеханических нагружающих
устройств были специально разработаны стенды, на которых одновременно
испытываются два устройства, при этом одно из устройств служит для создания
нагрузки на второе устройство. Этот принцип ранее широко использовался для испытания несамотормозящихся приводов. С
целью обеспечения возможности испытания самотормозящихся нагружающих устройств
стенд оснащен системой управления взаимодействием приводов, которая включает
устройства для задания испытательной нагрузки, измерения создаваемой нагрузки и
сравнения последних по каждому из приводов, при этом устройство для измерения
нагрузки установлено последовательно с выходным звеном, а устройство для
задания нагрузки настраиваются на величины, отличающиеся между собой не меньше,
чем на величину чувствительности системы управления. Кроме того, для
обеспечения реверсирования приводов при достижении ими своих крайних рабочих
положений, стенд снабжен переключателем для перекрестного подключения устройства
для задания испытательной нагрузки. Имеет место взаимодействие двух идентичных
контуров регулирования, в одном из которых постоянно возникает
перерегулирование, а в другом – недорегулирование. Вследствие этого один привод
работает в тянущем режиме, а второй – оттормаживающем режиме. Каждый из
приводов при этом стремиться обеспечить достижение заданной его контуром
регулирования нагрузки. Поддержание заданных тяговых усилий на штоках
нагружающих устройств с одновременным перемещением их на всю величину рабочего
хода осуществляет следящая система, состоящая из двух каналов управления, в
которые входят устройства рассогласования и регуляторы. Регулятор включает
чувствительный элемент, релейное звено и усилитель мощности, на выходе которого
подключается электродвигатель нагружающего устройства. Силоизмерительное
устройство, выполняющее роль датчика обратной связи, установлено на штоке
нагружающего устройства и вырабатывает электрический сигнал, пропорциональный
величине тягового усилия. Этот сигнал подается на один из входов устройства
рассогласования. На другой вход устройства рассогласования подается сигнал от
задатчика уровня нагружения. Каждый канал управления имеет средства
демпфирования автоколебательного процесса, который может возникнуть в процессе
испытаний. Для ресурсных испытаний концевые
выключатели нагружающего устройства задействованы не для отключения их,
а для изменения направления вращения их электродвигателей посредством
поляризованного реле РСП 32Б. Потенциометрическими задатчиками уровня нагружения
задаются требуемые тяговые усилия, которые должны развивать испытываемые
нагружающие устройства. Если эти уровни будут одинаковыми, то достигнув их оба
устройства отключаются и перемещения штоков не будет. Если задать разные уровни
нагружения, отличающиеся более, чем на величину чувствительности устройства
рассогласования, то произойдет перетягивание штока более нагруженным
устройством, при этом работают электродвигатели обоих устройств, стремясь
компенсировать перерегулирование и недорегулирование по усилию на выходных
штоках. При достижении штоками крайних положений срабатывают концевые
выключатели, которые переключают поляризованное реле в такое состояние, при
котором уровни сигналов с задатчиков нагружения на входах устройств
рассогласования каналов блока управления поменяются местами, при этом
происходит реверсивное переключение электродвигателей и изменение направления
перемещения штоков нагружающих устройств. Реверсивное переключение с помощью концевых
выключателей обеспечивает непрерывность испытаний в течение любого времени.
Счетчик импульсов, подключенный к одному из концевых выключателей, подсчитывает
количество полных циклов выдвижения и втягивания штоков с заданными тяговыми
усилиями. Изменяя знак задаваемых усилий (растяжение или сжатие штока), можно
создавать знакопеременные испытательные нагрузки на обе боковые стороны зубьев
волновых передач, витков резьбы передачи винт-гайка. Если приводы имеют
одинаковое быстродействие, то их работа осуществляется плавно и непрерывно с
малыми изменениями (в пределах разности
уровней настройки контуров
регулирования) заданных нагрузок. Если же быстродействие приводов различно, то
возможна работа их с остановками, реверсами. Испытания экспериментальных образцов нагружающих
устройств с усилием 10, 50, 200, 1000 кН подтвердили правильность
заложенных методик расчета, работоспособность и надежность предложенных
конструктивных схем. Ряд конструктивных разработок защищен авторскими
свидетельствами на изобретение[1-8]. Нагружающие устройства с усилиями указанных выше
номиналов переданы одному из предприятий военно-промышленного комплекса России
для использования в практике прочностных испытаний ракетных конструкций. Представленные результаты
по разработке и испытаниям электромеханических нагружающих устройств показали
эксплуатационную целесообразность замены ими традиционных гидравлических
нагружающих устройств.
Библиографический список
1. А.С. 1012053 СССР, МКИ G 01 L 1/12. Устройство
для измерения сил / В.С Дудников, Л.В. Аверин, А.Г. Макаренков и
др. (СССР). - № 3353638/18-10; Заяв. 10.11.81; Опубл. 15.04.83, // Бюл.
№ 14. – 3 с.: ил. 1.
2. А.С. 1067268 СССР, МКИ
F 16 H 25/20, F 16 H 1/00,
F 16 H 3/00. Устройство для перемещения
объектов / Л.В. Аверин, В.С. Дудников, А.Г. Макаренков
(СССР).- № 3488078/25-28;Заяв. 31.08.82; Опубл. 15.01.84, //Бюл.
№ 12. – 4 с.
3. А.С. 1234740 СССР, МКИ
G 01 M 13/02. Самотормозящееся нагружающее
устройство / Л.В. Аверин, В.С. Дудников,
А.Г. Макаренков и др. (СССР). - № 3826514/25-28; Заяв. 07.12.84;
Опубл. 30.05.86, // Бюл. № 20. – 3 с.: ил. 1.
4. А.С. 1234746 СССР, МКИ
G 01 N 3/00. Силовозбудитель / В.С. Дудников,
А.И. Нагорный, А.Г. Макаренков и др. (СССР). - № 3840316/25-28;
Заяв. 11.01.85; Опубл. 30.05.86, // Бюл. № 20. – 3 с.: ил. 1.
5. А.С. 1295102 СССР, МКИ
F 16 H 25/20. Нагрузочный винтовой
механизм / В.С. Дудников, А.И. Нагорный,
А.Г. Макаренков и др. (СССР). - № 3965428/25-28; Заяв. 21.10.85;
Опубл. 07.03.87, // Бюл. № 9. – 2 с.: ил. 1.
6. А.С. 1295259 СССР, МКИ
G 01 M 13/02. Нагружающее
устройство / В.С. Дудников, Б.А. Коряков-Савойский,
Л.В. Аверин и др. (СССР). - № 3968188/25-28; Заяв. 21.10.85; Опубл.
07.03.87, // Бюл. № 9. – 4 с.
7. А.С.
1467417 СССР, МКИ G 01 M 13/02. Нагружающее
устройство / В.С Дудников,
Л.В. Аверин, А.Г. Макаренков (СССР). - № 4233427/25-28; Заяв.
21.04.87; Опубл. 23.03.89, // Бюл. № 11. – 3 с.: ил. 1.
8. А.С. 1486838 СССР, МКИ
G 01 M 13/02. Нагружающее
устройство / В.С. Дудников, Б.А. Коряков-Савойский,
А.Г. Макаренков и др. (СССР). - № 4163929/25-28; Заяв. 19.12.86;
Опубл. 15.06.89, // Бюл. № 22. – 4 с.