Разработка теоретических и конструкторских основ проектирования автоматизированных разрывных машин для контроля физико-механических параметров и управления качеством полимерных волокон

Шепс, Георгий Яковлевич

автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Разработка теоретических и конструкторских основ проектирования автоматизированных разрывных машин для контроля физико-механических параметров и управления качеством полимерных волокон

доктора технических наук: Шепс, Георгий Яковлевич
город: Саратов
год: 2007
специальность ВАК РФ: 05.13.06
цена: 450 рублей

Диссертация по информатике, вычислительной технике и управлению на тему «Разработка теоретических и конструкторских основ проектирования автоматизированных разрывных машин для контроля физико-механических параметров и управления качеством полимерных волокон»

Автореферат диссертации по теме "Разработка теоретических и конструкторских основ проектирования автоматизированных разрывных машин для контроля физико-механических параметров и управления качеством полимерных волокон"

07-3 265

На правах рукописи

Шепс Георгий Яковлевич

РАЗРАБОТКА ТЕОРЕТИЧЕСКИХ И КОНСТРУКТОРСКИХ ОСНОВ ПРОЕКТИРОВАНИЯ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ РАЗРЫВНЫХ МАШИН ДЛЯ КОНТРОЛЯ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ И УПРАВЛЕНИЯ КАЧЕСТВОМ ПОЛИМЕРНЫХ ВОЛОКОН

Специальность 05.13.06 - Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (в машиностроении)

Диссертация в форме научного доклада на соискание ученой степени доктора технических наук

Саратов 2007

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет».

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Козлов Андрей Борисович

доктор технических наук, профессор Мартынов Владимир Васильевич

доктор технических наук, профессор Плотников Александр Леонтьевич

Ведущая организация

Институт проблем точной механики и управления РАН (г. Саратов)

Защита состоится 25 апреля 2007 г. в 12 часов на заседании диссертационного совета Д212.242.02 при Саратовском государственном техническом университете цо адресуТ4Гб054, Саратов, ул. Политехническая, 77, пуд. 319.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библио* теке Саратовского государственного технического университета

Диссертация разослана « 6 » марта 2007 года

Ученый секретарь диссертационного совета

А.А. Игнатьев

российская государственная библиотека 2007

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Механические свойства материалов, такие как прочность и деформируемость, традиционно оцениваются путём проведения испытаний на разрывных машинах. От автоматизации контроля в машиностроении, приборостроении и других отраслях в значительной степени зависит повышение качества продукции.

С появлением полимерных материалов (60-е - 70-е годы), значительная часть которых выпускается в виде тонких волокон (10-50 мкм), имеющих малые разрывные нагрузки (10-200 мН) и большие разрывные удлинения (до 100-150%), возникла проблема в создании принципиально нового поколения автоматизированных разрывных машин, позволяющих проводить испытания таких образцов, поскольку отечественная промышленность таких машин не выпускала и не выпускает.

В процессе выполнения работ по решению данной проблемы автором изучены патентные материалы СССР (России), а также достижения ведущих зарубежных фирм, таких как: «Инстрон» (США), «ЦВИК» (ФРГ), «Устер» (Швейцария), «Куртольдс» (Великобритания) и др.

Для приобретения необходимых разрывных машин у указанных выше фирм необходимо иметь значительные валютные средства. Кроме того, эксплуатация и тем более ремонт такой техники представляют значительные трудности, поскольку фирмы, как правило, не дают техническую документацию в полном объёме и не обеспечивают запасными частями.

Помимо этого, режимы проведения испытания, реализуемые импортными машинами, зачастую не соответствуют действующим в России ГОСТам.

Кроме того, следует учитывать, что в сфере производства полимерных волокон технологический процесс идёт непрерывно, а обработка результатов испытаний, согласно действующим ГОСТам, носит математихс-статистический характер. Поэтому лаборатории, осуществляющие цеховой контроль с целью управления качеством, должны проводить до тысячи испытаний в сутки, а информация о результатах испытаний должна поступать к технологам с возможно малым временем запаздывания.

Следовательно, разрывные машины этого класса должны иметь высокую износоустойчивость и надёжность, высокий уровень автоматизации, а также предполагать эффективное использование компьютерной техники для обработки результатов испытаний.

Помимо производственных цехов в таких машинах остро нуждаются службы ОТК и научно-исследовательские лаборатории предприятий и институтов.

В некоторых специфических условиях, кроме стандартных испытаний образцов, необходимо проводить испытания в динамических (ударных) режимах, что, естественно, требует другого оборудования, используемого, главным образом, в процессе научно-исследовательских работ.

Изучением поставленных выше вопросов занимались профессора

A.Б. Козлов, А.М. Сталевич, А.Н. Соловьев, Б.А. Бузов, BJB. Яковлев,

B.Г. Тиранов, В.Н. Каминский, Г.Н. Кукин, Г.Ф. Пугачёвский, К.Е. Пере-пёлкин, Л.К. Таточенко, Н.И. Кудряшова, Н.М Носов, П.В. Мелентьев, СМ. Кнрюхин, Ф.Н. Зубов, Ю.И. Розенбаум и другие исследователи.

Однако промышленность и йаука, работающие с полимерными микроволокнами, до сих пор не имеют отечественной разрывной машины данного класса, выпускаемой серийно, о чём свидетельствует большой пакет запросов автору от производственных объединений и ведущих институтов на предоставление научно-технической информации по достигнутым ре-. зультатам исследований.

Всё это свидетельствует о том, что проблема , которую поставил перед собой диссертант по разработке необходимой теоретической базы и созданию на этой основе гаммы автоматизированных электронных разрывных машин для контроля и оперативного управления качеством одиночных полимерных микроволокон, является актуальной.

Цель работы:

разработать теоретическую базу и методологию проектирования и изготовления опытных образцов автоматизированных разрывных машин.

В соответствии с поставленной целью необходимо было решить следующие задача: i

- разработать теоретические основы практического использования механотронов в режиме измерения малых сил; ■

- разработать методы использования соленоидных индуктивных датчиков в режиме измерения больших перемещений;

• отработать методы измерения линейной плотности волокон с помощью объемных резонаторов, работающих в диапазоне СВЧ;

- провести экспериментальные исследования по отладке методики контроля разрывных нагрузок, разрывных удлинений и линейной плотности.

Конечная цель состояла в том, чтобы, используя полученные теоретические и практические результаты, создать автоматизированную электронную разрывную машину для измерения разрывных нагрузок и разрывных удлинений одиночных химических волокон штапельного способа производства, удовлетворяющую российским ГОСТам, работающую в режиме постоянной скорости деформирования и обладающую патентной чистотой.

Параллельно автором рассмотрены вопросы физико-механических испытаний полимерных волокон в режиме динамических нагрузок и создания экспериментальных электронных установок научно-исследовательского характера. *>

Методы и средства исследования. В соответствии с поставленными задачами предусматривалось проведение теоретических и экспериментальных исследований как в лабораторных, так и в производственных условиях.

По каждому конкретному вопросу рассматривался пакет вариантов с учетом накопленного отечественного и зарубежного опыта.

Оценка макетных вариантов осуществлялась с использованием современной цифровой радиоизмерительной техники.

На всех этапах работы широко применялась электронная вычислительная техника, а на заключительном этапе - персональные компьютеры.

Особое внимание уделялось оценке надежности разработанных устройств с проведением многомесячных испытаний, с наработкой до 10000 часов и анализом большого массива результатов испытаний.

В проводимой исследовательской работе использовались методы планирования эксперимента, а также методы теории вероятностей и математической статистики.

При исследовании процессов, связанных с динамическими нагрузками на полимерные волокна, использовался метод разложения функции в ряд Фурье.

Для достижения конечного результата применялась общепринятая схема: научное исследование, опытно-конструкторская разработка, опытный образец, натурные испытания в лабораторных и в производственных условиях, анализ и оценка полученных результатов.

Научная новизна работы.

1. Разработана методология создания гаммы автоматизированных разрывных машин для контроля и научных исследований физико-механических свойств одиночных полимерных михроволокон, включающая теоретические основы, схемную и конструкторскую проработку и испытания экспериментальных образцов с практической реализацией на производстве.

2. Разработаны новые методы измерения силовых воздействий На полимерные микроволокна и их деформаций, а также оценка линейной плотности, используемые в автоматизированных разрывных машинах для контроля разрывных нагрузок и разрывных удлинений одиночных волокон.

3. Аналитическими и экспериментальными исследованиями обоснована целесообразность применения в автоматизированных разрывных машинах:

• механотронов для измерения разрывных нагрузок;

• соленоидных индуктивных датчиков для измерения разрывных' удлинений;

• плоскопараллельных емкостных датчиков для измерения линейноД плотности волокон в случае совмещения измерения разрывных нагрузок.

, 4. Обоснована. целесообразность применения для научно-исследовательских работ в данном направлении экспериментальной установки для испытания волокон при ударных нагрузках и больших скоростях деформирования.

5. Подтверждена обоснованность разработанного методического обеспечения и схемной реализации автоматизированной разрывной машины

и создана база для ее лицензирования по результатам трехлетних испытаний машины на надежность функционирования.

6. Разработан метод измерения площади поперечного сечения образцов волокон с помощью объемного резонатора, работающего в диапазоне СВЧ.

Практическая ценность работы. На основе проведенных теоретических исследований и последующих необходимых опытно-конструкторских работ (ОКРов) впервые в России разработана, изготовлена и внедрена в производство гамма электронных разрывных машин для измерения физико-механических параметров полимерных волокон и создан образец, который по результатам межведомственных испытаний под эгидой Госстандарта рекомендован как базовый для отрасли химических волокон и сертифицирован Институтом метрологии им. Д.И. Менделеева (г. С.- Петербург).

Автоматизированные разрывные машины внедрены на производстве для контроля и управления качеством (цеховые лаборатории), для оценки качества готовой продукции (служба технического контроля), для улучшения качества продукции (центральные научно-исследовательские лаборатории комбинатов).

Реализация результатов работы. Изготовлено и внедрено в производство 12 типов электронных разрывных машин («Полимер-2», «Поли-мер-3», «Полимер-4», «Полимер-5», «Полимер-575» и их модификации).

Основной базой внедрения являлся Энгельсе кий комбинат химического волокна ^штапельный цех капронового производства, центральная научно-исследовательская лаборадория комбината, отдел технического контроля). За истекший Период разрывные машины, в общей сложности, отработали более 2 ООО ООО циклов и их использование позволило улучшать качество продукции и его сортность.

Инженерно-техническая документация на опытные образцы разрывных машин, выполненная в соответствии с ЕСКД, безвозмездно передана 25 предприятиям, научно-исследовательским институтам, а также вузам по их официальным запросам.

Для ускорения процесса внедрения созданных разрывных машин в производство диссертант осуществил трехлетние генеральные испытания на надежность базового экземпляра разрывной машины в Московском текстильном университете, в проблемной лаборатории материаловедения, а также провёл необходимую работу по устранению замеченных, недостатков.

Диссертант подготовил и осуществил лицензирование базового образца разрывной машины во Всероссийском научно-исследовательском институте метрологии им. Д.И. Менделеева Госстандарта России» С.-Петербург.

В приложении к диссертации лаются указания по технологии изготовления и сборхе наиболее ответственных механических узлов, монтажу и наладке электронных измерительных каналов, приводятся сведения по правильной эксплуатации, поверке и регулировкам разрывных машин. .

В процессе внедрения опытных образцов разрывных машин на производстве диссертант осуществлял личное техническое сопровождение этих работ в контакте с цеховой службой КИПиА.

Разработки по динамическим испытаниям и контролю линейной плотности волокон могут быть рекомендованы для использования в научно-исследовательских работах соответствующего профиля.

На выполненные разработки имеются акты внедрения.

Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на: 6-й Всесоюзной межвузовской научно-технической конференции по материаловедению Минвуза (Москва, 1967 г.); 8-й Всесоюзной межвузовской научно-технической конференции по материаловедению Минвуза (С.-Петербург, 1974 г.), 9-й Всесоюзной межвузовской научно-технической конференции по материаловедению Минвуза (Витебск, 1977 г.), 10-й Всесоюзной межвузовской научно-технической конференции по материаловедению Минвуза (Львов, 1980 г.); 11-й Всесоюзной межвузовской научно-технической конференции Минвуза (Москва, 1984 г.); 12-й Всесоюзной научно-технической конференции по материаловедению Минвуза (Киев, 1990 г.); Областном Совете научно-технических обществ (Саратов, 1993 г.); Секции лёгкой промышленности научно-технического совета Минвуза (Москва, 1987 г.); Общемосковском коллоквиуме по материаловедению (Москва, 1984, 1987 гг.); кафедре автоматики и промэлектроники Московского текстильного института (Москва, 1980, 1983,1985 гг.); кафедре электрорадиотехники Саратовского государственного университета (Саратов, 1998 г.); Научно-техническом совете АО «Автоматика-сервис» (Саратов, 1992, 1995, 2003, ¿2005 гг.); кафедре «Автоматизация и управление технологическими процессами» Саратовского государственного технического университета (Саратов, 2000-2006 гг.).

Опытные образцы опытно-конструкторских разработок по теме диссертации выдержали патентную экспертизу и демонстрировались во Всероссийском выставочном центре-ВВЦ (бывшая ВДНХ СССР) в павильонах машиностроения и радиоэлектроники 12 раз (Москва, 1965,1968,1969, 1971,1972,1973,1974,1976,1979, 1982,1987,1990 гг.) и награждены: Золотой медалью - 3 раза, Серебряной медалью - 3 раза, Бронзовой медалью -3 раза, Дипломом Почвта - 3 раза.

Базовые образцы опытно-конструкторских разработок по теме диссертации прошли экспертизу в Государственном Всероссийском научно-исследовательском институте метрологии им. Д.И. Менделеева - ВНИИМ -(С.-Петербург, 1991,2000 гг.) и получили положительную оценку.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 29 работ, в том числе 3 монографии объвмом 21,5 печ. листр в центральной печати (Москва: Легкая индустрия), и 11 публикаций в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Публикации (29, в т.ч. - 3 монографии, общим объемом 21,5 пл.)

1) («Известия вузовш, «Заводская лаборатория», »Текстильная промышленность», изд-во «Легкая индустрияСГУ, СГТУ),

2) Всероссийский выставочный центр - ¡2 раз. Павильоны. «Народное образование», «Электроника», «Машиностроение»

Разработка теоретических и конструкторских основ проектирования автоматизированных разрывных машин для контроля физико-механических параметров и управления качеством полимерных микроволокон

Научно - исследовательская работа

(Анализ возможных направлений решения проблемы)

Теоретические решения поставленных вопросов

Опытно -I конструкторские \работы (ОКРы)

Изготовление опытных образцов

Государственные испытания

Испытания на надежность

Внедрения в производство

а §

§

3

Работы выполнялись в содружестве с:

1) Госстандартом России

2) Комбинатами химических волокон

3) Научно - исследовательскими институтами по профилю работы.

Результаты докладывались:

1) Кафедры вузов (СГУ, СГТУ, МТН, МИТЛП и др.)

2) Всесоюзные и Всероссийские научные конференции Минвуза иМинхима. (Москва, С.Петербург, Витебск и др.-браз)

3) Научно-технический совет Минвуза.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введения обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цель и основные задачи исследований, научная новизна, её практическая ценность. Представлены сведения об апробации и внедрении результатов, а также приводятся положения, выносимые на защиту,

В первом разделе рассмотрен комплекс вопросов, связанных с автоматизацией измерения разрывных удлинений полимерных микроволокон в разрывных машинах, реализующих ГОСТ 10213 «Волокно и жгут химические. Методы испытаний».

Поскольку в соответствии с этим ГОСТом длина испытываемых образцов составляет 10 мм, а разрывные удлинения могут достигать 150%, то становится очевидным, что речь идёт о контроле линейных перемещений в диапазоне от 0 до 15 мм.

Традиционно для этих целей используются реостатные датчики. Однако наличие скользящего контакта, при условии интенсивной работы разрывных машин данного типа, приводит к резкому снижению надёжности и повышенным требованиям по обслуживанию и профилактике со стороны обслуживающего персонала.

Поэтому диссертант провёл теоретическую и экспериментальную работу, необходимую для того, чтобы обеспечить возможность использования для этих целей бесхонтахтных индуктивных датчиков соленоидного типа, работающих в неуравновешенных мостах переменного тока и обеспечивающих автоматизацию измерения разрывных удлинений.

Классическая теория для этого случая, разработанная Б.Н. Карандеевым, справедлива, когда измерительный мост работает и зоне, близкой к состоянию равновесия.

В диссертации разработана теория работы данной измерительной схемы для случая больших перемещений, когда измерительный мост работает в зоне, далёкой от состояния равновесия.

В результате была получена функциональная зависимость напряжения на измерительной диагонали моста Цы от перемещений рабочего серь дечника датчика №, где 17аь - напряжение на токовой диагонали моста:

Ш

^-[/„т/Р+г7;

(2)

Здесь /?-/,(Д1) и у-/,(Д£) .

Р

4в + 2а,+Ь1 аЬ + 4Ь

■ ; V ш ————

Используя выражения (2), (3), можно оценить основные метрологические параметры измерительного канала по отношению к контролируе-

мому перемещению:

_ , <ты Г в 1

чувствительность Х-—-— — ; 1 </(Д£) [мм]

Как видно из рис. 1 и 2, экспериментальные характеристики достаточно хорошо совпадают с теорией. Кроме того, видно, что характеристики имеют достаточно большие прямолинейные участки, в пределах которых й рекомендуется работать в режиме измерений.

Таким образом, в результате проделанной теоретической и экспериментальной работы удалось выработать конкретные рекомендации по выбору оптимальных геометрических размеров датчика, количеству витков катушки, частоте питающих напряжений и его величине.

В опытных установках использовалось напряжение питания на токовой диагонали измерительного моста 5 В при частоте 220 Гц.

В качестве сердечников применялось химически чистое железо (Армко), а также ферритовые стержни марки Ф-600 длиной 140 и диаметром 8 мм.

В эксперименте чувствительность измерительного канала составляла от 2,5 до 10 мВ/мм, а коэффициент нелинейности укладывался в 1,5-2,0 %. Многолетние испытания соленоидных индуктивных датчиков в опытно-конструкторских разработках разрывных машин показали их высокую на-

дёжность и стабильность в работе при достаточно хороших метрологических показателях. Абсолютная погрешность измерений не превышала 1-1,5%.

Во втором разделе рассмотрены теоретические аспекты применения ёмкостных датчиков как средства для измерения разрывной нагрузки и линейной плотности полимерных микроволокон, т.к. это открывает возможности совмещения измерений обеих этих величин с помощью общего измерительного тракта.

С одной стороны, это ведет к упрощению измерительной аппаратуры и её удешевлению.

С другой стороны, учитывая возможности современной вычислительной техники, открывается возможность сразу же получать величину

разрывного напряжения о-

Анализ возможных вариантов решения поставленной задачи показывает, что оптимальным вариантом является использование в обоих случаях плоскопараллельного ёмкостного датчика с воздушным диэлектриком.

Ёмкость такого датчика С =А<Ъе), где <1 - расстояние между обкладками, а с - диэлектрическая проницаемость среды между обкладками, рис. 3.

ич . 1 -i

. -р77-^ '

Рис. 3. Плоскопараллельный емкостный датчик . , " ..

.. . к- •

Для измерения разрывной нагрузки -Рр используется влияние на </, а для измерения Г используется влияние на е.

Автором получены функции преобразования для обоих случаев»; а также выведены формулы для расчёта чувствительности и нелинейности по силе и тексу. В обоих случаях использовались .датчики на уровне единиц пикофарад, а контролируемые изменения АС составляли 1(Г*-1(Г3 пи-кофарад. Теоретические разработки этого раздела,, а также полученные экспериментальные данные развиты в третьем и четвёртом разделах диссертации.

Известно, что на работу, ёмкостных датчиков оказывают влияние такие внешние факторы как температура и влажность окружающего воздуха.

Петому при проведении экспериментальных работ автор осуществлял целый ряд мероприятий с целью исключения этих влияний, учитывая, что действующие ГОСТы обязывают держать кондиционированный климат в лабораториях, где работают разрывные машины по испытаниям полимерных микроволокон.

В настоящем разделе также проводится обзор электронных схем, которые, в принципе, могут быть использованы в совокупности с емкостными датчиками рассмотренного класса. Анализ показывает, что это должны бьпъ высокочастотные схемы, работающие в диапазоне нескольких мегагерц. При этом с возрастанием частоты возрастает и эффективность работы птах измерительных схем.

Используя уравнения Максвелла, диссертант теоретически проработал вопрос оценки геометрических параметров полимерных микроволокон с помощью объемного резонатора, работающего в диапазоне СВЧ, и получил расчётную формулу, позволяющую вычислить поперечное сечение образца по девиации частоты электромагнитных колебаний в резонаторе при введении в него исследуемого волокна.

^-135546(^-1).^. (4)

где ео[ - исходная частота колебаний в резонаторе; Дш - девиация частоты при внесении волокна; У\ - объем резонатора; вг- диэлектрическая проницаемость волокна; Уг -^.объйм исследуемого волокна.

В третьем разделе обоснован метод и найдено решение для одновременного измерения линейной плотности и разрывной нагрузки образца волокна при использовании общего измерительного канала.

При всем многообразии датчиков, позволяющих контролировать каждый из этих параметров в отдельности, одновременное измерение позволяют реализовать только емкостные датчики.

Именно поэтому диссертант уделил особое внимание углубленному изучению возможностей этих датчиков, работающих на уровне единиц пи-кофарад и менее того.

Здесь была проведена определенная теоретическая и экспериментальная работа с электронными генераторными схемами, работающими в диапазоне нескольких мегагерц.

Через линейную плотность Т можно оценить площадь поперечного сечения испытываемого образца, что необходимо для вычисления разрывного напряжения а.

Экспериментальная установка состоит из опорного генератора (рис. 4), работающего на определенной фиксированной частоте ^=3000 кГц, и измерительного генератора, настроенного на частоту / 1Ш3460 кГц. Напряжения обеих частот поступают в смеситель, где преобразуются в сигнал промежуточной частоты/„■/1

-/2-460 кГц.

ци

I УПТ

Частотный детектор

Т

Огрвшпителії

УПЧ

Датчик

Смеситель

і 1

Измерительный генератор Опорный генератор

Рис. 4. Схема экспериментальной установки

Последний подается на двухкаскадный полосовой усилитель напряжения УПЧ и далее на амплитудный ограничитель. С выхода ограничителя сигнал промежуточной частоты поступает на частотный детектор, отрегулированный таким образом, что при частоте, равной 460 кГц, его выходной сигнал равен кулю. Выходной сигнал частотного детектора используется для управления усилителем постоянного тока, работающим на Стрелочный индикатор магнитоэлектрического типа (в нашем случае прибор М - 24 на ток 100 мкА).

СМ

Рве. 5. Эталонный конденсатор переменной емкости на базе стандартного микрометра

г ';

Для измерения Текса волокна используется ёмкостный датчик, представляющий собою плоскопараллельный конденсатор с воздушным ди-

электриком. В эксперименте емкость датчика составляла 1,16 пФ. Для калибровки датчика использовался эталонный конденсатор, разработанный автором на базе стандартного микрометра и представляющий собою коаксиальную конструкцию. При этом контролируемый градиент изменения

Для полимерных волокон относительная диэлектрическая проницаемость с, находится в интервале 2-5. При внесении контролируемого волокна в воздушный зазор датчика его емкость увеличивается, что оказывает соответствующее влияние на частоту измерительного генератора. Для исследованных микроволокон изменения емкости датчика составляли 10"2 - Ю-1 пФ.

Диссертантом выведены математические выражения для расчёта чувствительности и нелинейности датчика, а также всей измерительной схемы в целом по отношению к контролируемому параметру, а также даётся теоретическая оценка точности производимых измерений, которая подтверждалась в эксперименте.

Надёжность работы предлагаемого измерительного комплекса достигалась применением параметрической и кварцевой стабилизации как измерительного, так и опорного генераторов.

Поскольку параметры емкеетыого датчика, используемого в разделе 4 для измерения разрывной нагрузки, имеют близкие значения, то является доказанным тот факт, что можно совместить измерение площади поперечного сечения микроволокна с измерением разрывной нагрузки, а следовательно, сразу получить и величину разрывного напряжения.

В четвёртом разделе анализируется компенсационная схема измерения разрывной нагрузки с использованием ёмкостного индикатора разбаланса и разрабатываются элементы теории для неё, что позволяет прогнозировать основные метрологические характеристики.

В компенсационной схеме измерения разрывной нагрузки ёмкость датчиха получается соизмеримой с ёмкостью датчика, используемого для измерения Текса (раздел 3), что открывает перспективы возможности совмещения этих измерений.

Для измерения разрывной нагрузки используется компенсационная схема (рис. б) на базе емкостного датчика С, и магнитоэлектрического узла отработки, содержащего постоянный магнит 1 и уравновешенный перемещающимся грузом 5 рычаг 3 с сердечником 2. Рычаг может поворачиваться относительно опоры 4. Испытуемое волокно 7 закрепляется в зажимах 6 и 8. Последний приводится в движение траверсой 9. В процессе растяжения волокна разрывная нагрузка компенсируется электромагнитной силой Для этого имеется электронная схема, включающая измерительный генератор 10, опорный генератор 12, смеситель 11, усилитель проме-

ёмкости составлял 0,00015

жуточной частоты 13, амплитудный ограничитель 14, узел детектирования сигнала 13-18, усилитель постоянного тока 20 и измерительный прибор 19. Частота измерительного генератора зависит от емкости датчика С,, которая в свою очередь определяется разрывной нагрузкой ^ Детальный анализ работы схемы показывает, что коллекторный ток транзистора 20 определяется выражением:

где В,г,м/~ конструктивные параметры.

Рис. б. Компенсационная схема измерения разрывной нагрузка

Таким образом, указанный ток является электрическим аналогом разрывной нагрузки.

На рис. 7 изображен компенсационный емкостной датчик. Это -двухлучевой датчик с неподвижными токосъемами, являющийся разновидностью плоскопараллельного емкостного датчика. Статорные пластины имеют цилиндрическую форму (0=6 мм) и размещены во втулках из оргстекла, закрепленных, в свою очередь, на неподвижной пластине, изготовленной из фторопласта. Таким образом, статорные электроды изолированы как относительно корпуса разрывной машины, так и относительно друг друга.

Роторный электрод в виде медной посеребренной пластины закреплен на силоизмерительном рычаге, причем между ними имеется фторопластовый изолятор. Каждый статорный электрод совместно с роторным электродом образует емкости С, и С/, равные друг другу. Следовательно, общую емкость датчика Сх следует рассматривать ках состоящую из двух,

равных друг другу емкостей С,', включенных последовательно. Тогда С,72.

Главное достоинство этой конструкции заключается в неподвижности токосъемов, что обеспечивает хорошую изоляцию электродов и облегчает включение датчиков в схему. Теоретическая и экспериментальная работа, проведенная автором, указывает на большую целесообразность использования таких датчиков, поскольку это приводит к повышению стабильности и точности их в работе. С точки зрения увеличения чувствительности датчика необходимо стремиться к уменьшению расстояния между статорными и роторными пластинами. Однако практика показывает, что из конструктивных и эксплуатационных соображений наиболее приемлемо, чтобы этот размер (ф был равен 0,25 ... 0,75 мм. В нашем случае й " 0,5 мм. Расчет показывает, что для указанных выше диаметров статор-ных электродов исходное значение емкости датчика Сх0 "=0,25 пФ.

Рис. 7. Двухлучевой емкостный датчик: 1,6- фторопластовый изолятор; 2 - втулка из оргстекла; 3 - выводы от статарных пластин; 4 - статорные элегтроды; 5 - роторный электрод

Выходной сигнал (по напряжению) можно вычислить, используя вы' ражение:

2яВгм

(б)

Из полученного выражения видно, что выходной сигнал линейно зависит от контролируемого усилия. Некоторая нелинейность в данной системе могла бы возникнуть лишь за счет неоднородности магнитного поля, в котором находится катушка. Однако с учетом малости перемещения рычага и катушки следует полагать, что этот фактор вряд ли может иметь существенное значение.

Экспериментальная проверка зависимости Ц»«^/ГРУ показал^, что фактическая нелинейность не превышала 0,25 %. Проверку производили с помощью эталонных грузиков, подвешиваемых на рычаг.

Чувствительность схемы по отношению к ^ определяется из выраже-

ния:

2- 2пВгн>

-ш

(7)

где К/ и К2 - переводные коэффициенты; Л* - величина нагрузки в цепи усилителя постоянного тока силоизмерителя.

Диссертантом также рассмотрен вопрос о жёсткости измерительного рычага. Под этим термином, который введен нами, мы понимаем вертикальное смещение рычага под воздействием силы, растягивающей образец волокна. Дело в том, что параллельно с измерением разрывной нагрузки ^ идёт измерение разрывного удлинения ДЬ. Поэтому вертикальное смещение рычага <$ будет восприниматься каналом измерения М, как дополнительная деформация и, следовательно, будет давать некоторую плюсовую ошибку.

Исследование этого вопроса показывает, что на величину 8 влияет много конкретных факторов, в том числе и суммарный коэффициент усиления канала обратной связи. Поэтому, изменяя этот коэффициент, можно эффективно влиять на <5.

Автором было получено аналитическое выражение для вычисления 5

<У<

2Д + 2аС, - 1Р.

(8)

Здесь величины й, К <т, а и С, следует рассматривать как параметры. От их конкретных значений будет зависеть конкретный вид зависимости 8=^(Рр). Так, например, при разрывной нагрузхе 1000 мН (100 г с) величина 5 составила: 8=11*10 мм, что вполне допустимо. Экспериментальные характеристики датчика приводятся на рис. 8.

СрІ^пФ

Сх-^р)

О 200

1000 0 гоо

Рр,ЫН

600 1000

Рис. 8. Экспериментальные характеристики датчика.

Теоретически и экспериментально изучен вопрос о нестабильности чувствительности и нелинейности схемы при измерении разрывной нагрузки. В течение 8 часов непрерывной работы изменение этих параметров не превышало 0,9 %, а нестабильность нуля была на уровне 0,45 - 0,48 % от полной шкалы.

Теоретически и экспериментально изучен вопрос о составляющих погрешности измерения, что позволяет более осмысленно оценить конечный результат и вскрывает резервы на повышение точности измерения.

В пятом разделе рассмотрен комплекс вопросов, связанных с перспективой использования новых методов для измерения разрывных натру- , зок в разрывных машинах для полимерных микроволокон и обоснован метод применения механотронного преобразователя.

При проектировании разрывных машин одним из центральных вопросов является разработка силоизмерительного устройства. Изучение и анализ силоизмерительных устройств в разрывных машинах ведущих зарубежных фирм, таких как «Инстрон», «Куртольдс», «Цвик» и других, показывает, что в них применяются, как правило, тензометрические или дифференциальные индуктивные датчики. При этом электронная часть таких устройств получается достаточно сложной и относительно ненадежной

Службы КИПиА предприятий зачастую не справляются с обслуживанием и ремонтом такого оборудования, что приводит к нежелательному простою. Дело осложняется ещб и тем, что фирмы обычно не дают технической документации на свое оборудование. Обслуживание и особенно ремонт, осуществляемый сервисными подразделениями фирм, стоит чрезвычайно дорого и должен оплачиваться в твердой валюте.

В связи с этим диссертантом проведена длительная работа по поиску нового технического решения, которое бы исключало указанные выше недостатки, имело бы необходимые метрологические характеристики, а также отличалось патентной чистотой.

В последние годы, благодаря работам, выполненным под руководством Г.С. Берлина, широкое применение в качестве прецизионных датчиков силы получили механотроны, предложенные ЛА. Гончарским (а. с. СССР, №47827).

Рис. 9. Механотронный преобразователь, выполненный по схеме двойного диода: 1 - стеклянный баллон; 2 - неподвижный подогреваемый катод; 3 - планка, жестко соединяющая аноды; 4 - упругая мембрана; 5 - силоизмерительный пггырь; б - подвижные аноды, симметрично расположенные относительно катода

Механотрон представляет собой электронную лампу в диодном или триодном исполнении, в которой под действием внешней силы Р» изменяется взаимное положение электродов, что приводит к изменению параметров лампы. Наибольшее практическое применение получил механотрон (рис.9), работающий по схеме двойного диода, с неподвижным катодом и подвижными анодами.

Контролируемая сила Р, действует на силоизмеритеяьный штырь 5, деформирует мембрану 4, в результате чего один из анодов б приближается к катоду 2, а другой на такую же величину удаляется от него. Поскольку анодный ток вакуумного диода 1„ определяется из выражения:

(9)

где ив- анодное напряжение на механотроне, В; <іак - расстояние между анодом и катодом, мм, то очевидно, что /а=ДЛ)> и, таким образом, механотрон превращается в датчик измеряемой силы Рх.

Важнейшим качеством механотрона является его высокая чувствительность по отношению к измеряемой силе. Так, например, у механотрона

6МХІС, с которым мы проводили исследования, она составляет 100-^-,

что позволяет работать на регистрирующие устройства, практически, без предварительного усиления.

Несмотря на то, что механотрони появились достаточно давно, их положительные качества и потенциальные возможности в качестве прецизионных датчиков измерения силы ещ8 не в полной мере изучены и реализованы специалистами, работающими по созданию различных приборов, в том числе и в разрывных машинах для полимерных микроволокон.

В своей работе в течение длительного промежутка времени (10-15 лет) диссертант вёл научно-исследовательскую и экспериментальную работу по уточнению важнейших метрологических характеристик механо-тронов (чувствительность, линейность, стабильность, дрейф, надёжность, долговечность и пр.).

ТУ

гк

ІвЯІЯ

n »Ыти к

4й ІІ

4т .*# * мл

Рис. 10. Типовая электрическая схема включения двуханодного диодного механотрона

Рис. 11. Статическая характеристика механотрона

Для этого автором разработано и изготовлено более десятха экспериментальных лабораторных установок, осуществлена наработка механо-тронов, составляющая более 5000 тысяч часов, испытано более 100 меха-нотронов. Для этого автор подцерживал тесные связи с Московским электроламповым заводом, где вначале было освоено опытное, а затем и серийное производство механотронов.

Все без исключения экспериментальные установки получали питание от стабилизированных источников питания, имевших коэффициент стабилизации напряжения не менее 100.

Типовая схема включения механотрона представлена на рис.10, а ос-реднённая статическая характеристика - на рис. 11.

Следует отметить, что авторы, работавшие с механотронами в машиностроении до диссертанта, использовали их, главным образом, как датчики, контролирующие микроперемещения (контроль размеров), сортировочные автоматы для контроля в подшипниковой промышленности (прибор БВ-7059, БВ-3041У, БВ-7063 и др.), для контроля игл форсунок (КА-27), для контроля плунжеров топливных насосов КР-81, в профило-метрах для оценки чистоты обработки поверхности и т.д.

Основная сложность состоит в проектировании механического узла крепления механотрона на разрывной машине (рис. 12). Необходимо учитывать правильную ориентацию механотрона в пространстве относительно измеряемой силы, пропорциональной текущему значению нагрузки на испытываемом волокне. Растяжка силоизмерительного штыря механотрона должна быть строго перпендикулярна по отношению к вектору измеряемой силы. Для удобства крепления механотрона в механическом узле на его торцевую часть наклеивалось стальное кольцо.

л

\Ц(Х ? о 21 •г ^ Тй і

-І

1- -- 1

Рис. 12. Механический узел іфешіениі механотрона 20

Другим конструктивным решением являлась самотормозящаяся микрометрическая система для создания предварительного усилия на си-лоизмерительном штыре механотрона, позволяющая вывести режим его работы на линейный участок статической характеристики. В систему входят микрометрический винт с нониусом (рис. 13) и разрезная балочка, заканчивающаяся держателем механотрона.

Вертикальное смещение оси механотрона достигается за счет изменения величины зазора разрезной балочки при помощи микрометрического винта.

Ряс. 13. Микрометрический винт с нониусом

Передача разрывного усилия с верхнего зажима разрывной машины на силоизмерительный штырь механотрона осуществлялась через призму рычага (рис. 14), подвешенного шарнирно на гироскопических подшипниках.

При обрыве волокна в процессе испытаний на механотроне формируется импульс напряжения величиной не менее 0,5 В, что вполне достаточно для запуска автоматической системы фиксации момента обрыва волокна и выдачи команды на отсчет результата измерения. Основные технические характеристики приведены в табл. 1.

Таблица 1

Характеристика Значение

Точность измерения в рабочей зоне от калибровочной точки, относительная погрешность, % Нелинейность измерительной системы, % Дрейф выходного сигнала не превышает, мкА/ч Надежность, наработка до первого отказа, ч Стабильность нуля и калибровочной точки, % не более ± 1 не более ± 1,2 0,02 более 3000 ±0,5 за рабочую смену

В шестом разделе приводятся основные опытно-конструкторские разработки, которые предшествовали созданию разрывных машин для полимерных волокон и удовлетворяли требованиям действующих ГОСТов. Приводятся сведения по инженерному решению трёх вопросов, которые прошли положительную экспериментальную проверку как в лабораторных, так и в производственных условиях.

Полуавтоматические зажимные устройства. От качества зажимов в значительной степени-зависит точность производимых измерений. Необходимо: строгб выдерживать базовую длину испытываемого образца, которая согласно ГОСТу должна составлять 10 мм; учитывая малость диаметра испытываемых образцов (10-50 мхм) необходимо обеспечить идеальное прилегание губок друг к другу; необходимо обеспечить такое зажимное усилие, которое бы, с одной стороны, не допускало протаскивания испытываемого образца, а, с другой стороны, не приводило бы к его подкусыванию.

На рис. 15 показан один из вариантов зажимного устройства губок, который хорошо зарекомендовал себя на практике.

Рабочие поверхности губок притирались до чистоты, соответствующей 14-му классу. Автором разработана специальная технология сборки, обеспечивающая абсолютное прилегание друг к другу рабочих плоскостей га счвт того, что одна из губок делается составной. Регулировка зажимного усилия осуществляется экспериментально методом последовательных приближений с помощью винта 2. Для управления зажимами используется рукоятка б, при этом монтаж кулачков, управляющих зажимами 8 и 12, осуществляется таким образом, что верхний зажим закрывается несколько раньше нижнего. Благодаря этому испытываемое волокно, снабженное ка-

либрованным грузиком, будет находиться в распрямлённом состоянии перед началом проведения растяжения.

Автоматический фиксатор момента обрыва волокна. . Для точной оценки результатов испытания волокна на разрывной машине необходимо обеспечить четкую фиксацию момента разрыва образца. При этом инерционность (запаздывание выдачи команды) не должна превышать 0,1 с, т.к. в противном случае появится дополнительная погрешность измерения разрывного удлинения. Учитывая малость стандартизированной исходной длины образца (10 мм), такая погрешность может быть существенной.

На рис. 16 приводится один из вариантов автоматического фиксатора момента обрыва, используемого в тех случаях, когда силоиэмерительное устройство выполнено на базе механотронного датчика.

Рис. 15. Зажимное устройство машины

Рис. 16. Автоматический фиксатор момента обрыва 23

При отсутствии нагрузки на силоизмерительном штыре механотрона (раздел 5, рис. 9), когда Рх=0, расстояния между анодами и катодом равны и поэтому внутренние сопротивления диодов кі0 и Я20 будут равны друг другу и совместно с резисторами Ш и Я2 образуют мост постоянного тока, уравновешенный переменным резистором ЯЗ. Поэтому в исходном состоянии напряжение на резисторе 114 будет равно нулю.

Соответственно, вся схема фиксации момента обрыва образца будет находиться в исходном режиме, при котором транзистор У2 находится в открытом состоянии, а транзистор К; - в закрытом состоянии. При этом электромагнитное реле Р1 будет находиться в неоперативном состоянии, так как коллекторный ток транзистора И;, в цепь которого оно включено, мал и меньше тока срабатывания.

В процессе испытания образца усилие Ря на штыре механотрона возрастает, что приводит к асимметрии анодов а1 и а2 относительно катода, а, следовательно и к асимметрии Л1о и Л2о- При этом баланс моста пропорционально нарушается и на резисторе Я4 формируется напряжение.

В момент обрыва образца Рх мгновенно обращается в нуль, на резисторе Я4 формируется импульс напряжения, который отрицательной полярностью поступает на базу транзистора Р/ через разделительный конденсатор С* В результате этого транзистор Р) кратковременно открывается, а импульс коллекторного тока переводит реле Рі в оперативное состояние. При этом срабатывают рабочие контакты Рі и выдаётся команда на остановку "разрывной машины и отсчёт результатов испытания. Далее схема автоматически переходит в своё исходное состояние.

Электропривод подвижного зажима. Особенности электропривода разрывных машин для полимерных микроволохон вытекают из требований ГОСТ 10213 к режиму проведения испытаний. Согласно этому ГОСТу длительность испытания должна составлять 20±2 с. Поскольку различные типы микроволокон имеют различные разрывные удлинения, то отсюда следует, что скорость подвижного зажима в каждом конкретном случае должна подбираться экспериментально и быть стабильной. Поэтому электропривод должен иметь плавное регулирование частоты вращения ротора при постоянном вращающем моменте на валу. На рис. 17 изображён разработанный нами привод на базе двигателя постоянного тока с параллельным возбуждением, выполненный на транзисторах широкого применения.

Рис. 17. Транзисторная схема управления частотой вращения двигателя постоянного тош с параллельным возбуждением

В табл. 2 приводятся данные со испытаниям этого привода, который обеспечивал регулирование частоты вращения ротора в диапазоне 1:10, че-

го вполне достаточно.

_Таблица 2

VI и„в п, об/мин І..КА 1в.мА

иі, ыВ А

100 22 5 19 180 - 70

10« 20 7 47 180 70

110 15 12 84 180 70

120 10 17 120 180 70

126 5 22 150 180 70

136 1 26 185 180 70

145 0.15 26.85 195 (80 70

напряжение между базой и эмиттером транзистора напряжение между коллектором и эмиттером

Как видно из таблицы, во вс£м диапазоне оборотов /, и 7, остаются постоянными, а, следовательно, и будет постоянным Ф, где 1Я'- ток якоря [А] /в - ток возбуждения [А] Ф - магнитный поток - [Вб].

Поскольку у двигателей постоянного тока момент на валу

М-С*1я*Ф-[Н*м], (10)

то и момент на валу остается постоянным. Привод хорошо зарекомендовал себя при лабораторных и произ водственных испытаниях.

В седьмом разделе приводятся структура и технические характеристики основных опытно-конструкторских разработок автоматизированных разрывных машин, предназначенных для .испытания полимерных микроволокон.

Обработка результатов измерения выполнялась на ЭВМ.

Рис. 18. Разрывная машина «Полимер-2»

Разрывная машина «Полимер-2» (рис. 18) предназначена для измерения разрывных удлинений в цеховых условиях. В машине используется соленоидный индуктивный датчик для измерения разрывных удлинений. Машина имеет автоматизированный цикл управления и электромеханический фиксатор момента обрыва волокна. Прошла десятилетние испытания на капроновом производстве Энгельсского объединения «Химволокно» с положительным результатом.

Разрывная машина «Полимер-3» (рис. 19) предназначена для проведения научно-исследовательских работ, направленных на улучшение качества волокон. Позволяет измерять как разрывные удлинения, так и разрывные нагрузки. Для измерения разрывных нагрузок используется механотронный датчик. Машина работает в автоматическом режиме. Внедрена в Центральной лаборатории Энгельсского производственного объединения «Химволокно» и в процессе многолетних испытаний показала положительные результаты.

Разрывная машина «Полимер-4» использует компенсационную схему измерения разрывной нагрузки на базе емкостного датчика. Разрывные удлинения контролируются соленоидным индуктивным датчиком. Машина имеет ступенчатую регулировку скорости подвижного зажима и работает в автоматическом режиме. Прошла всесторонние лабораторные испытания с положительным результатом.

Разрывная машина «Полимер-575» является универсальной многоцелевой разрывной машиной. Для измерения разрывных нагрузок используется

механотронный датчик, для измерения разрывных удлинений - соленоидный индуктивный датчик. Машина имеет бесконтактный электронный фиксатор момента обрыва волокна и работает в автоматическом режиме, Машина снабжена транзисторным плавнорегулируемым электроприводом. Результаты изме-

Рис. 19. Разрывная машина «Полимер-3»

рения могут быть выведены на: стрелочные индикаторы, цифровые устройства, самопишущий электронный потенциометр и персональный компьютер.

Ниже приводятся функциональная схема и основные технические характеристики машины.

Машина прошла Государственные испытания, опытную эксплуатацию в течение 10 лет в службе ОТК Энгельсского производственного объединения «Химволокно», трёхлетние испытания на надёжность в проблемной лаборатории материаловедения Московского текстильного института и рекомендована как базовая для отрасли.

Испытание волокна протекает в режиме ПСД. Перемещения верхнего зажима под действием силы, растягивающей волокно, не превышают 50 мкм. Машина имеет автоматизированный испытательный цикл на электромагнитных реле с системой бесконтактной фиксации момента обрыва волокна. Предусмотрена возможность оперативной поверки правильности результатов измерения по эталонам силы и длины, а в случае необходимости можно осуществить корректировку показаний.

Канал измерения разрывных удлинений

Канал измерения разрывных нагрузок

•' Выход на ЭВМ

Рис. 20. Функциональная схема машины 27

Техническая характеристика

Зажимная длина испытуемого образца, мм.....................10

Предел измерения по разрывной

нагрузке, мН........................................................................250

Предел измерения по разрывному удлинению, %..........125

Длительность испытания до разрыва, с.........................20±2

Относительная погрешность в рабочей зоне разрывных нагрузок и разрывных

удлинений, %, не более.......................................................±2

Потребляемая мощность, В А............................................80

Напряжение питающей сети, В.........................................220

Габаритные размеры, мм...................................570x550x320

Масса, кг..................................................................................3

На рис. 21 показана компоновка машины. В нижнем блоке расположены: разрывное устройство (с датчиком силы и перемещения), блок автоматики, стабилизированный блок питания; в верхнем блоке - измерительные цепи.

Рис. 21. Общий вид разрывной машины «Полимер-575»

В восьмом разделе описаны разработанные и изготовленные диссертантом экспериментальные установки для динамических (ударных) испытаний полимерных волокон. Такие условия работы характерны для автомобильных шин, парашютных строп и т.д.

Установка М1 предназначена для ударных испытаний полимерных волокон без доведения их до разрыва. Контроль деформации испытываемого образца осуществляется соленоидным индуктивным датчиком, а регистрация полученного результата производится электронным осциллографом, имеющим трубку с длительным послесвечением, что позволяет наблюдать одиночные процессы.

Установка позволила раскрыть сущность релаксационных процессов, происходящих в образце после удара и, при ближайшем рассмотрении, обнаружить наличие затухающих колебательных процессов, особенно при изменении скорости горизонтальной развёртки осциллографа - рис. 22 и

Полученные экспериментальные результаты описаны нами, используя ряд Фурье. Так, например, кривая 2, рис. 22, разложенная в ряд Фурье по методике, предложенной А.Анго, выглядит следующим образом у* 22,292 - 10,492 cos 2 nt-5,684 sin2яt-4,208 cos 4яt--8,732 sin4/rf-0,667 cos 6xt- 1,75 sin 6xt-2,192 COs8^r- (11) -1,272sin8 я7-2,842соз 10*/-1,066sin \0nt. Вычисление коэффициентов при синусах и косинусах осуществлялось по методике «12 ординат». При этих значениях коэффициентов:

23 [1,2,3].

Л1.ЧЯ

Рис. 22. Осциллограммы динамических испытаний при различной инерционности измерительной схемы

Рис. 23. Осциллограммы динамических испытаний при разной скорости горизонтальной развертки

(12)

сумма квадратов ошибок будет минимальной. Проверка показала, что относительная погрешность отображения не превышала 10%.

Установка №2 предназначена для ударного воздействия на испытываемый образец до его разрушения при больших скоростях растяжения, достигающих 20-50 м/с.

Установка представляет собой вращающийся с угловой скоростью маховик с выскакивающим захватом, который и осуществляет растяжение образца. Целевое назначение установки состоит в том, чтобы получить на экране электронного осциллографа кривую растяжения образца:

Р-<Р(Щ . (14)

Д£ - абсолютное значение деформации образца, мм; Р - текущее значение усилия на образце, Н.

Рассматривая, в первом приближении, испытываемый образец как «идеальную пружину» и решая соответствующее дифференциальное уравнение, нами были получены закон вращения «работающего» на разрыв образца маховика:

(15)

где <о„- начальная угловая скорость маховика, 1/с; J- момент инерции маховика, м2 кг; Я -жйстхость образца, Н/м, и далее, закон изменения угловой скорости о, из которого следует, что маховик находится в замедленном движении, подчиняющемся косинусоидальному закону.

/ . (16)

Проведя необходимые математические преобразования, мы получили выражение:

^Ч „ • (17)

Из этого выражения видно, каким требованиям должна удовлетворять масса маховика М для того, чтобы угловая скорость маховика в конце испытания отличалась бы от начальной не более чем на «п» процентов.

С другой стороны, для любого маховика можно дать оценку «п» из выражения

08)

Учитывая все эти факторы в каждом конкретном случае, можно дать экспертное заключение о возможности замены датчика, контролирующего деформацию образца, горизонтальной развёрткой осциллографа.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. На основе теоретических исследований, конструкторской проработки и многолетних испытаний решена проблема автоматизации контроля физико-механических параметров и управления качеством одиночных полимерных микроволокон с помощью разрывных машин.

2. Разработана методология измерения больших перемещений на основе применения индуктивных соленоидных датчиков перемещений, работающих в неуравновешенных мостах переменного тока, и создана автоматизированная разрывная машина «Полимер-2», предназначенная для контроля разрывных удлинений и управления качеством полимерных микроволокон в цеховых условиях.

3. Теоретически и экспериментально обоснован метод применения механотронов в качестве датчиков измерения малой силы (0-10 гс) и на этой основе создана разрывная машина «Полимер-З», предназначенная для проведения научно-исследовательской работы в Центральных лабораториях комбинатов (ЦЛК), производящих полимерные микроволокна.

4. Теоретически и экспериментально обоснован метод и разработана компенсационная схема измерения силы на базе емкостного датчика и на этой основе создана разрывная машина «Полимер-4», которая может быть использована для контроля и управления качеством полимерных микроволокон в производственных условиях.

Л 5. На основе результатов.исследований создана разрывная машина «Полимер-5» (и ей модификации «Полимер-575», «Полимер 575-П», «Полимер 575-ИП») многоцелевого назначения для контроля и управления качеством полимерных микроволокон, которая сертифицирована Госстандартом России и признана базовой моделью для отрасли.

6. Теоретическими и экспериментальными данными обосновано, что измерение разрывных нагрузок и линейной плотности полимерных микроволокон может быть осуществлено с помощью ёмкостных датчиков одного и того же порядка (0,25-4,5 пФ) при контролируемых изменениях емкости датчика порядка Ю"2 пФ. Это позволило совместить измерения разрывной нагрузки и линейной плотности на базе ёмхостного датчика, работающего в генераторной схеме с преобразованием частоты в диапазоне 3-5 МГц..

7. Наличие полной конструкторской документации по базовой разрывной машине «Полимер-575», выполненной в соответствии с ЕСКД, результаты ее многомесячных испытаний в лабораторных и производственных, условиях с последующим лицензированием службой Госстандарта России, а также патентная чистота - открывают возможность организации серийного производства разрывных машин данного класса, освобождая предприятия от валютных затрат" на приобретение такой техники у зарубежных фирм. >

8. Разработанный метод динамических испытаний полимерных материалов (без доведения испытываемого образца до разрыва) позволил раскрыть сущность происходящих релаксационных процессов, теоретически подтвержденную с использованием рядов Фурье.

9. Разработана теория работы экспериментальной установки для динамических испытаний полимерных материалов (с доведением образца до разрыва), выполненной на базе вращающегося маховика. Похазано, каким требованиям должен удовлетворять маховик для того, чтобы, с достаточной точностью, было бы можно заменить работу датчика, контролирующего деформацию, горизонтальной разверткой электронного осциллографа.

10. Отработана методика регулярного экспресс-анализа физико-механических свойств одиночных полимерных микроволокон с использованием компьютера, позволяющая технологам осуществлять оперативное управление качеством продукции.

Таким образом, диссертантом выполнен полный цикл работ от постановки проблемы до ее полной практической реализации.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

Монографии:

1. Шепс ГЛ. Электронная аппаратура для определения характеристик механических и других свойств волокон при однократном растяжении до разрыва: монография / ГЛ. Шепс. М.: Легкая индустрия, 1975.127 с.

2. Шепс ГЛ. Электронная техника в текстильном материаловедении: монография / ГЛ. Шепс. М.: Легкая и пищевая промышленность, 1981.167 с.

3. Шепс ГЛ Автоматизация измерения физико-механических параметров полимерных волокон с помощью электронных разрывных машин и устройств: монография / ГЛ. Шепс. Саратов: СГТУ, 2002.68 с.

Статьи в изданиях, рекомендованных ВАК:

4. Шепс ГЛ. Автоматический цикл с электронно-механическим фиксатором момента обрыва волокна / ГЛ. Шепс. Иваново: Известия вузов. Технология текстильной промышленности. 1967. № 5. С. 125-127.

5. Шепс ГЛ. Электронная схема для измерения удлинений волокон на базе индуктивного датчика / ГЛ. Шепс. Иваново: Известия вузов. Технология текстильной промышленности. 1968. № 2. С. 117-119.

б.1 Шепс ГЛ. К оценке перемещения верхнего зажима в разрывных машинах, использующих компенсационную схему измерения силы / Г,Я. Шепс. Иваново: Известия вузов. Технология текстильной промышленности. 1973. № 2. С. 112-114.

7. Шепс ГЛ Некоторые вопросы проектирования аппаратуры для скоростных испытаний текстильных волокон / Г Л.Шепс. Иваново: Известия вузов. Технология текстильной промышленности. 1973. № 3. С. 143-145.

8. Шепс ГЛ. Индуктивный датчик для измерения больших перемещений / ГЛ. Шепс, С.К. Дауров. М.: Заводская лаборатория. 1967. № 11. С. 1457-1458. Я'1-

9. Шепс ГЛ. Прибор для совмещения измерений разрывной нагрузки и толщины волокон / Г.Я. Шепс // Текстильная промышленность. 1968. № 5. С. 61-62.

Ю.Шепс ГЛ. Особенности проектирования силоизмерительных устройств разрывных машин / ГЛ. Шепс. Иваново: Известия вузов. Технология текстильной промышленности. 1999. №4. С. 139-140.

11.Шепс ГЛ. Особенности проектирования, монтажа и наладки ме-ханотронных силоизмерительных устройств автоматизированных разрывных машин для контроля механических параметров пАйимерных микроволокон / ГЛ. Шепс // Вестник Саратовского государствекного технического университета. 2005. №2. С.133-139.

12.Шепс ГЛ. К использованию СВЧ-технологий для оценки линейной плотности полимерных микроволокон / ГЛ. Шепс // Вестник Саратовского государственного технического университета. 2006. № 1 (И). Вып. 2. С. 40-45.

13.Шепс ГЛ. К вопросу о надежности механотронных датчиков в силоизмерительных устройствах разрывных машин для физтсо-механических испытаний полимерных микроволокон / ГЛ. Шепс // Вестник Саратовского государственного технического университета. 2006. №2 (13). Вып. 2. С. 31-32.

14.Шепс ГЛ. Экспериментальная установка для оценки механической прочности полимерных волокон при ударных нагрузках / ГЛ. Шепс // Вестник Саратовского государственного технического университета. 2007. №1. Вып.1. С. 62-65.

Статьи в других изданиях;

15.Шепс ГЛ. Экспериментальная установка для исследования деформации нитей и волокон при быстром приложении постоянной нагрузки ! ГЛ. Шепс // Труды VI Всесоюз. межвуэ. науч.-техн. конф. по текстильному материаловедению. М., 1967. С. 47-48.

16. Шепс ГЛ Электронная разрывная машина для контроля физико-механических свойств одиночных химических волокон штапельного спосбба производства / ГЛ Шепс, Г.Н. Кукин, RB. Шоличев // Т>уды 8-й Всесоюз. конф. по текстильному материаловедению. JL, 1974.4.3. С. 283-288.

17.Шепс ГЛ. Элек1ронный прибор для измерения площади поперечного сечения химичесхих волокон / ГЛ. Шепс. М.:г ДОСААФ, 1968. Вып. №30.31 с.

-18. Шепс Г Л Электронный сериметр для механических испытаний одиночных химических волокон / ГЛ. Шепс. М.: ЦНИИТЭИ-легпром, 1968.25 с.

19.Шепс ГЛ. Опыт использования ЭВМ для статистического анализа качества химических волокон / ГЛ. Шепс // Тез. докл. 10-й Всесоюз. конф. по текстильному материаловедению. Львов, 1980. Ч. 3. С.23-24.

20.Шепс ГЛ. Механотронные силоизмерители электронных разрывных машин: проектирование, монтаж, наладка / ГЛ. Шепс. Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 1999.10 с.

21.Шепс ГЛ. Установка для динамических испытаний химических волокон и интерпретация полученных результатов с помощью ряда Фурье / ГЛ. Шепс. Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 2000.16 с.

22.Шепс ГЛ. Использование механотронных преобразователей для прецизионных измерений в машиностроении / ГЛ. Шепс // Автоматизация и управление в машин о- и приборостроении: межвуз. науч. сб. Саратов: СГТУ.2000. С. 151-152.

23.Шепс Г Л К оценке геометрических параметров полимерных микроволокон с помощью объемного резонатора, работающего в диапазоне СВЧ / ГЛ. Шепс, С.О. Сембнов // Автоматизация и управление в машино- и приборостроении: межвуз. науч. сб. Саратов: СГТУ, 2001. С. 187-189.

24.Шепс ГЛ. Плавнорегулируемый электропривод разрывной машины для механических испытаний полимерных микроволокон / ГЛ. Шепс // Автоматизация и управление в машино- и приборостроении: межвуз. науч. сб. Саратов: СГТУ, 2002. С.193-194.

25.Шепс ГЛ. Повышение эффективности управления качеством полимерных микроволокон при использовании комплекса «Разрывная машина - компьютер» / ГЛ. Шепс // Автоматизация и"управление в машино- и приборостроении: межвуз. научТсбГСаратов: СГТУ, 2002. С. 191-192.

26.Шепс ГЛ. Экспериментальная проверка надежности механотронных силоизмерителей разрывных машин для физико-механических испытаний полимерных микроволокон / ГЛ. Шепс // Автоматизация и управление в машино-и приборостроении: межвуз. науч. сб. Саратов: СГТУ, 2003. С. 228-229.

27.Шепс ГЛ. Оптимизация .обработки данных, полученных на разрывной машине с целью управления качеством физико-механических параметров полимерных михроволокон У ГЛ. Шепс // Автоматизация и управление в машино- и приборостроении: межвуз. науч. сб. Саратов: СГТУ, 2004. С. 171-172.

28.Шепс ГЛ. Автоматический механотронный фиксатор момента обрыва волокна разрывной машины / ГЛ. Шепс // Автоматизация и управление в машино- и приборостроении: межвуз. науч. сб. Саратов: СГТУ, 2007.

29.Шепс ГЛ. Полуавтоматические зажимы разрывной машины для контроля физихо-механических свойств химических волокон / ГЛ. Шепс // Автоматизация и управление в машино- и приборостроении: межвуз. науч. сб. Саратов: СГТУ, 2007.

ШЕПС Георгий Яковлевич

РАЗРАБОТКА ТЕОРЕТИЧЕСКИХ И КОНСТРУКТОРСКИХ ОСНОВ ПРОЕКТИРОВАНИЯ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ РАЗРЫВНЫХ МАШИН ДЛЯ КОНТРОЛЯ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ И УПРАВЛЕНИЯ КАЧЕСТВОМ ПОЛИМЕРНЫХ ВОЛОКОН

Автореферат

Корректор О.А. Панина

Подписано в печать 26.02.07 Формат 60x84 1/16

Бум. офсет. Усл. печл. 2,0 Уч.-изд.л. 2,0

Тираж 100 экз. Заказ 33 Бесплатно

Саратовский государственный технический университет

410054, Саратов, Политехническая ул., 77 Отпечатано в РИЦ СГТУ. 410054, Саратов, Политехническая ул., 77

871 а

Оглавление автор диссертации — доктора технических наук Шепс, Георгий Яковлевич

Актуальность проблемы. Механические свойства материалов, такие как прочность и деформируемость, традиционно оцениваются путём проведения испытаний на разрывных машинах. От автоматизации контроля в машиностроении, приборостроении и других отраслях в значительной степени зависит повышение качества продукции.

С появлением полимерных материалов (60-е - 70-е годы), значительная часть которых выпускается в виде тонких волокон (10-50 мкм), имеющих малые разрывные нагрузки (10-200 мН) и большие разрывные удлинения (до 100-150%), возникла проблема в создании принципиально нового поколения автоматизированных разрывных машин, позволяющих проводить испытания таких образцов, поскольку отечественная промышленность таких машин не выпускала и не выпускает.

В процессе выполнения работ по решению данной проблемы автором изучены патентные материалы СССР (России), а также достижения ведущих зарубежных фирм, таких как: «Инстрон» (США), «ЦВИК» (ФРГ), «Устер» (Швейцария), «Куртольдс» (Великобритания) и др.

Для приобретения необходимых разрывных машин у указанных выше фирм необходимо иметь значительные валютные средства. Кроме того, эксплуатация и тем более ремонт такой техники представляют значительные трудности, поскольку фирмы, как правило, не дают техническую документацию в полном объёме и не обеспечивают запасными частями.

Помимо этого, режимы проведения испытания, реализуемые импортными машинами, зачастую не соответствуют действующим в России ГОСТам.

Кроме того, следует учитывать, что в сфере производства полимерных волокон технологический процесс идёт непрерывно, а обработка результатов испытаний, согласно действующим ГОСТам, носит математико-статистический характер. Поэтому лаборатории, осуществляющие цеховой контроль с целью управления качеством, должны проводить до тысячи испытаний в сутки, а информация о результатах испытаний должна поступать к технологам с возможно малым временем запаздывания.

Следовательно, разрывные, машины этого класса должны иметь высокую износоустойчивость и надёжность, высокий уровень автоматизации, а также предполагать эффективное использование компьютерной техники для обработки результатов испытаний.

Помимо производственных цехов в таких машинах остро нуждаются службы ОТК и научно-исследовательские лаборатории предприятий и институтов.

В некоторых специфических условиях, кроме стандартных испытаний образцов, необходимо проводить испытания в динамических (ударных) режимах, что, естественно, требует другого оборудования, используемого, главным образом, в процессе научно-исследовательских работ.

Изучением поставленных выше вопросов занимались профессора

A.Б. Козлов, A.M. Сталевич, А.Н. Соловьев, Б.А. Бузов, В.В. Яковлев,

B.Г. Тиранов, В.Н. Каминский, Г.Н. Кукин, Г.Ф. Пугачёвский, К.Е. Пере-пёлкин, JI.K. Таточенко, Н.И. Кудряшова, Н.М. Носов, П.В. Мелентьев, СМ. Кирюхин, Ф.Н. Зубов, Ю.И. Розенбаум и другие исследователи.

Однако промышленность и наука, работающие с полимерными микроволокнами, до сих пор не имеют отечественной разрывной машины данного класса, выпускаемой серийно, о чём свидетельствует большой пакет запросов автору от производственных объединений и ведущих институтов на предоставление научно-технической информации по достигнутым ре- зультатам исследований.

Всё это свидетельствует о том, что проблема , которую поставил перед собой диссертант по разработке необходимой теоретической базы и созданию на этой основе гаммы автоматизированных электронных разрывных машин для контроля и оперативного управления качеством одиночных полимерных микроволокон, является актуальной.

Цель работы: разработать теоретическую базу и методологию проектирования и изготовления опытных образцов автоматизированных разрывных машин.

В соответствии с поставленной целью необходимо было решить следующие задачи:

- разработать теоретические основы практического использования механотронов в режиме измерения малых сил; ,,.

- разработать методы использования соленоидных индуктивных датчиков в режиме измерения больших перемещений;

- отработать методы измерения линейной плотности волокон с помощью объемных резонаторов, работающих в диапазоне СВЧ;,

- провести экспериментальные исследования по отладке методики контроля разрывных нагрузок, разрывных удлинений и линейной плотности.

Конечная цель состояла в том, чтобы, используя полученные теоретические и практические результаты, создать автоматизированную электронную разрывную машину для измерения разрывных нагрузок и разрывных удлинений одиночных химических волокон штапельного способа производства, удовлетворяющую российским ГОСТам, работающую в режиме постоянной скорости деформирования и обладающую патентной чистотой.

Параллельно автором рассмотрены вопросы физико-механических испытаний полимерных волокон в режиме динамических нагрузок и создания экспериментальных электронных установок научно-исследовательского характера.