11.3. Измерение линейной скорости

Под линейной скоростью понимается отношение длины (пройденного пути)sк времениt, т. е.=s/t.

Производной единицей линейной скорости, согласно Международной системе единиц (СИ), является метр в секунду (м/с). Применяется также единица км / ч.

Это определение аналогично понятию «частота вращения», т.е. количеству оборотов за единицу времени. Поэтому имеется простая возможность измерять линейную скорость путем преобразования линейного движения во вращательное при помощи колеса. Частота вращения этого колеса и измеряемая линейная скорость связаны между собой постоянным, неизменным соотношением. Поэтому измерять линейную скорость градуированным в единицах линейной скорости измерителем угловой скорости (частоты вращения).

Большинство используемых в промышленности способов измерения линейной скорости основано на этой предпосылке. Например, наблюдение за скоростью ленточных конвейеров, измерение скорости автомобилей, а также измерение скорости схода нитей в машинах текстильной промышленности.

11.4. Методика измерения погрешностей вращательного движения механических передач

11.4.1. Общие положения. Точность и плавность работы механических передач определяются погрешностями изготовления их элементов, погрешностями монтажа, а также температурными и упругими деформациями деталей (закручивание валов, осадка подшипников, изгибная и контактная деформации и т.д.).

Первичные ошибки изготовления и сборки, а также деформации звеньев нарушают согласованность движения ведущего и ведомого звеньев и приводят к погрешностям их относительного положения, т.е. к кинематическим погрешностям механизма.

Применительно к зубчатым передачам большое количество первичных погрешностей деталей зацепления привело к необходимости объединения их в три комплексные нормы точности: норму кинематической точности, норму плавности работы и норму контакта профилей взаимодействующих деталей.

Норма плавности работы передачи определяет требования к параметрам, которые влияют на кинематическую точность и проявляются многократно за один оборот ведомого звена. Требования плавности работы особенно важны, если передача является силовой, так как многократно проявляющиеся за один оборот погрешности являются источником ударов, приводящих к появлению шума и вибраций и, как следствие, к снижению КПД.

Нормы контакта относятся к элементам передач, которые определяют величину поверхностей касания взаимодействующих профилей элементов зацепления.

Кинематическая погрешность любой передачи характеризуется разностью между действительным и номинальным (расчетным) углами поворота ее ведомого вала, соответствующими одинаковым углам поворота ведущего вала. Она может выражаться в угловых единицах, а также в единицах длины дуги делительной окружности ведомого колеса. Согласно определению,

;

где - кинематическая погрешность в угловых единицах;

- кинематическая погрешность передачи, выраженная в линейных единицах;

- действительный угол поворота ведомого вала;

- номинальный угол поворота ведомого вала, равный ;

- действительный угол поворота ведущего вала;

U – передаточное отношение передачи;

- радиус окружности, относительно которой определяется погрешность.

Плавность работы передачи определяется погрешностями, которые многократно (циклически) проявляются за оборот выходного вала и составляют часть кинематической погрешности. Кинематическую погрешность можно представить в виде спектра гармонических составляющих, амплитуды и частоты которых зависят от характера элементарных погрешностей деталей зацепления. Циклические погрешности, нарушающие плавность работы передачи, можно определять по спектру кинематической погрешности.

Исследования обычно проводятся на испытательных стендах, обеспечивающих условия работы передачи, близкие к эксплуатационным. При этом всегда стремятся получать по возможности широкий набор сведений, наиболее полно характеризующий технический уровень передачи.

Для того чтобы сократить продолжительность и снизить стоимость испытаний передач на стадии отработки их конструкции и методики расчета, создана автоматизированная система испытаний механических передач, включающая испытательный стенд, первичные преобразователи, регистраторы сигналов от преобразователей в виде персональной ЭВМ с устройством расширения ее функциональных возможностей и программный комплекс для обработки информации от первичных преобразователей и представления этой информации в виде сведений об исследуемых параметрах.

Устройство расширения функциональных возможностей ЭВМ включает в себя измерительный многоканальный блок, служащий в качестве интерфейса цифрового ввода информации в ЭВМ от первичных преобразователей, также работающих в среде Windows. Этот блок является специализированной приставкой к ЭВМ, обеспечивающей измерения кинематических погрешностей механических передач, имеющих до 15 валов, вибрации передач и других объектов, а также шероховатость поверхностей различных деталей и круглость цилиндрических и конических поверхностей. При измерении кинематических погрешностей передач это устройство предусматривает использование стандартного преобразователя угловых перемещений ВЕ-178А, а при измерении вибрационных параметров – любых пьезоэлектрических преобразователей скоростей и ускорений, использующихся при измерении вибраций в измерителях шума и вибраций типа ИШВ.

Если же ведется измерение шероховатости и круглости поверхностей деталей, то используется специальный блок-датчик, в котором применяется для ощупывания поверхности детали индукционный преобразователь, используемый в известных профилометрах-профилографах.

Автоматизированная система позволяет при исследовании передач получить следующие сведения:

• частоты вращения валов;

• передаточное отношение передачи;

• кинематическую погрешность передачи за один оборот ведомого вала и ее амплитудно-частотный спектр;

• нагрузку на ведущем и ведомом валах;

• КПД передачи;

• статическую характеристику передачи;

• переходную характеристика (ПХ);

• амплитудно-частотную характеристику (АЧХ);

• фазочастотную характеристика (ФЧХ);

• уровень вибраций передачи и их спектр.

Схема автоматизированного стенда для исследования параметров механических передач различных типов приведена на рис. 11.1. Стенд содержит основание 1, привод передачи (асинхронный электродвигатель) 2, нагружатель 3, выполненный в виде порошкового электромагнитного тормоза типа ПТ с обмоткой возбуждения 4, испытуемую передачу 5, преобразователи 6 и 7 вращающего момента, установленные на ведущем и ведомом валах передачи соответственно (они же преобразователи частоты вращения валов и преобразователи мощности на этих валах), фотоэлектрические датчики 8 и 9 типа ДФ-1, работающие в паре с преобразователями момента 6 и 7, фотоэлектрический преобразователь 10 угловых перемещений типа BE-178A, блок питания 11 нагружателя, выполненный в виде сумматора напряжений на двух резисторах от источника 12 регулируемого напряжения и генератора 13 синусоидального напряжения или случайных сигналов, ЭВМ 14, устройство 15 расширения функциональных возможностей ЭВМ в виде измерительного многоканального блока и цифрового осциллографа типа Bordo-50, маховик 16, соединительную муфту 17 и источники питания фотодатчиков 8 и 9 и преобразователя 10 (на схеме не показаны).

Преобразователи 6 и 7 совместно с фотодатчиками 8 и 9 могут выполнять функции преобразователей частоты вращения валов, так как частота вращения вала обратно пропорциональна среднему периоду следования импульсов.

Так как мощность равна произведению момента и угловой частоты вращения вала, то по зарегистрированной последовательности импульсов можно также судить о величине мощности на валах передачи, которая оказывается пропорциональной отношению средней длительности импульсов к их среднему периоду.

Преобразователь 10 угловых перемещений служит для оценки равномерности вращения ведомого вала передачи, т.е. для измерения кинематических погрешностей этой передачи. Если кинематическая погрешность измеряется на холостом ходу передачи, то преобразователь 10 при помощи муфты 17 присоединяется непосредственно к ведомому валу передачи. Если же измерения производятся при работе передачи под нагрузкой, то преобразователь 10 связывается с передачей так, как это представлено на описываемой схеме стенда, т. е. через вал ротора порошкового электротормоза.

При измерениях кинематических погрешностей передачи на ее ведущем валу закрепляется маховик 16, что обеспечивает равномерность вращения этого вала, по отношению к которому оценивается неравномерность вращения ведомого вала, определяющая кинематические погрешности передачи.

О величине кинематической погрешности передачи судят по результатам анализа последовательности прямоугольных импульсов, генерируемых преобразователем 10 и регистрируемых измерительной системой 15 при помощи ЭВМ 14. Преобразователь 10 за один оборот вала формирует 2500 прямоугольных импульсов. Измерив их период и длительность и оценив отклонения этих параметров от номинальных значений, можно судить о равномерности вращения вала и величинах кинематических погрешностей передачи. Обработку результатов измерений, разложение кинематических погрешностей в частотный спектр и их графическое представление осуществляют по специально разработанным программам для ЭВМ.

При исследовании характеристик передачи под нагрузкой на стенде используется электромагнитный порошковый тормоз 3. Нагружение осуществляется путем подачи на обмотку возбуждения 4 напряжения от блока питания 12. Постоянная нагрузка на ведомом валу передачи воспроизводится тогда, когда на обмотку 4 электротормоза подается от источника 12 регулируемого напряжения некоторая величина постоянного напряжения. Переменная нагрузка воспроизводится при подаче на обмотку 4 суммы постоянного напряжения от источника 12 и переменного напряжения от генератора 13, который может давать либо переменное синусоидальное напряжение, либо переменное напряжение, изменяющееся по случайному закону с определенными статистическими характеристиками – средним значением и средним квадратическим отклонением.

Порошковый электромагнитный тормоз 3 имеет дополнительную обмотку возбуждения (на схеме не показана). Она используется при регистрации экспериментальной переходной характеристики электротормоза 3 (при помощи преобразователя 7) и переходной характеристики динамической системы, состоящей из электротормоза 3 и контролируемой передачи 5 (при помощи преобразователя 6). При регистрации переходных характеристик маховик 16 с ведущего вала передачи 5 снимается, а на дополнительную обмотку возбуждения электромагнитного тормоза подается единичное ступенчатое воздействие и ведется запись процесса нарастания моментов на ведущем и ведомом валах передачи. На основе анализа переходных характеристик судят о динамических свойствах контролируемой передачи, т.е. получают ее амплитудно-частотную, фазочастотную характеристики и передаточную функцию.

Система может быть также снабжена устройством расширения функциональных возможностей ПЭВМ, которое включает в себя измерительную систему Bordo-50, работающую в среде Windows и представляющую собой отдельную плату к ЭВМ.

Измерительная система Bordo-50 позволяет производить измерения сигналов с частотой до 80 МГц и последующую обработку экспериментальных данных в среде Microsoft Excel. Эта система, как и обычный цифровой осциллограф, может работать с любым преобразователем, формирующим электрические сигналы либо непрерывного, либо импульсного характера.

При проведении исследований система производит регистрацию и обработку сигналов от виброакустических преобразователей по четырем независимым каналам, и сигналов от датчиков круговых перемещений типа ВЕ-178А, установленных на валах исследуемого механизма.

11.4.2. Регистрация сигналов и методика обработки экспериментальных данных. Частота вращения валов механизмов может быть получена в результате анализа сигналов преобразователя круговых перемещений ВЕ-178А, импульсы от которого связаны с текущим временем, т.е. помечены моментами времени. Так, если фронтам двух соседних импульсов, формируемых преобразователем круговых перемещений, соответствуют моменты времени t₁ и t₂, то частота вращения вала в пределах этого интервала может быть найдена по формуле

,

где - угловой шаг маски преобразователя;N – число импульсов, формируемых преобразователем за один оборот.

Если известна частота вращения , приводного двигателя, то передаточное отношение передачи определяется частицами ₁/.Величина кинематической погрешности определяется по формуле , из которой можно определить величину погрешности угла поворота ведомого звена

.

Передаточное отношение передачи можно также установить по соотношению

.

Соотношение с учетом кинематической погрешности может быть представлено в виде

.

Эту зависимость можно привести к виду . Таким образом, колебание передаточного отношенияравнои эквивалентно величине кинематической погрешности механизма. В то же время кинематическая погрешностьF является более чувствительным параметром, так как величина при увеличенииот нуля до 2 и далее пропорционально уменьшается почти до нулевого значения, т.е. до величины, соизмеримой с погрешностями вычислений.

Математическая обработка сигналов позволяет строить спектры сигналов, рассчитывать их кепстры и автокорреляционную функцию. Система поддерживает удобный пользовательский интерфейс (рис.11.2).