2.2. Гидравлические динамометры.
Гидравлические силоизмерители (мессдозы) предназначены для преобразования усилия в давление жидкости, которое затем измеряется с помощью манометра любого типа. Принципиально мессдозы представляют собой простейшие поршневые пары и дают возможность дистанционно измерять усилия практически любой величины.
А). Глухая гидравлическая мессдоза.
Рис. 9. Глухая гидравлическая мессдоза.
Здесь измеряемое усилие F воздействует на поршень, создает давление в жидкости, заключенной между корпусом и поршнем. Для герметизации полости с жидкостью используется эластичная мембрана. Рабочие (герметизирующие) мембраны для давлений 106Па изготавливаются из высокопрочной прорезиненной ткани толщиной 0,3 – 0,8 мм на шелковой или капроновой основе или из бериллиевой бронзы толщиной 0,05 – 0,06 мм. Для мембран, работающих при высоких давлениях, применяют маслобензиностойкую резину толщиной 2 – 3 мм. На точность измерения сил с помощью мессдоз оказывает влияние величина перемещения поршня. Если допустить, что рабочая полость системы заполнена абсолютно несжимаемой жидкостью и пренебречь деформациями мембраны, корпуса и соединительных трубок, то ход поршня определится лишь изменением внутреннего объема манометра. Из применяемых рабочих жидкостей наименьшую сжимаемость имеют глицерин, спирто–водяные смеси, минеральные масла. Температурные погрешности глухих мессдоз не позволяют обеспечить высокий предел точности измерений (±1,5 – 2,0%) от верхнего предела показаний из – за замкнутости рабочего объема гидравлической системы.
1 – основание корпуса; 2 – крышка корпуса; 3 – поршень; 4 – шарик; 5 – манометр; 6 – диафрагма; 7 – баллон с рабочей жидкостью; 8 – заправочный кран.
Б) Проточная гидравлическая мессдоза.
Рис. 10. Проточная гидравлическая мессдоза.
В ней источником давления служит внешний нагнетатель (насос или баллон с давлением), а поршень связан с золотником – регулятором давления в рабочей полости. В таких мессдозах измеряемое усилие уравновешивается давлением движущегося через полость потока жидкости. Т.к. во время работы в проточную мессдозу поступают все новые порции рабочего тела, то нет необходимости в полной герметизации гидравлической системы; в конструкции могут быть использованы весьма точные элементы типа неуплотненных поршневых пар.
При измерении насос нагнетает жидкость из бака в полость под поршнем, к которому приложено измеряемое усилие F. Если F меньше силы давления жидкости РSэф, то поршень, перемещаясь вверх, откроет выпускные отверстия, перепад давления на которых начнет снижаться, т.е. начнет снижаться давление под поршнем. Перемещение поршня вверх прекратится, когда F=PSэф. Статическая характеристика мессдозы что в глухом, что в проточном варианте имеет вид P=F/Sэф.
В проточном варианте мессдозы постоянство эффективной площади гораздо выше, чем в глухом. Поскольку сжимаемость жидкости в проточных мессдозах не сказывается на точности измерений, то обычно используют различные масла, вязкие свойства которых обеспечивают наименьшую протечку жидкости в неуплотненном зазоре поршневой пары. Расход масла при давлениях (1 – 2)*103Па определяется по формуле
Q=π*r*ΔPδ3/Gηℓ,
где r – радиус поршня; δ – зазор (на сторону); ℓ - длина поршня, погруженного в цилиндр; η – динамическая вязкость рабочей жидкости; ΔР – перепад давления на кольцевом зазоре, через который протекает масло. Если, например, ℓ=r, ΔР=103Па, δ=5*10-6м, η=1,75*10-3Па*с (минеральное масло), то получим, что расход масла через зазор
Q=3,6*10-9м3/с, что говорит о ничтожности протечки. Жидкость, просочившаяся через зазор в поршневой паре, собирается в верхней проточке и отводится обратно в бак.
Главным источником погрешности измерения в проточной гидравлической мессдозе является трение в поршневой паре. Для борьбы с трением на поверхности поршня делают разгружающие канавки шириной 0,3 – 1 мм и глубиной 0,2 – 0,8 мм. Наличие одной канавки по опытным данным снижает трение со 100% (при гладком поршне) до 40%, а семи канавок до 2,7%. Кроме того, наличие канавок уменьшает протечки через зазор вследствие повышения гидравлического сопротивления току жидкости. Еще более эффективным методом устранения трения в поршневой паре является принудительное вращение поршня или цилиндра.
Гидравлические глухие и проточные мессдозы применяются для измерения сил от сотен до миллионов ньютонов.