автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.19, диссертация на тему:Разработка вибрационно-частотных датчиков крутящего момента и угловых перемещений на базе оболочечных чувствительных элементов

• • Г: л

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ИНСТИТУТ МАШИНОВЕДЕНИЯ им. А. А. ВЛАГОКРАВОВА

На правах рукописи УДЯ 682. Й

ЭТКИН ДМИТРИЙ ЛЕОНИДОВИЧ

РАЗРАБОТКА БИБРАЦИОННО-ЧАСТОТНЫХ ДАТЧИКОВ КРУТЯЩЕГО МОМЕНТА И УГЛОВЫХ ПЕРЕМЕЩЕНИЯ НА БАЗЕ ОБОЛОЧЕЧНЫХ ЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНГОЗ

специальность ОБ. Ой. 19 "Экспериментальная механика машин"

АВТОРЕФЕРАТ диссертации не. соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1992

Работа выполнена в Отделе виброакустики машин Института машиноведения РАН

Научный руководитель-

доктор технических наук, профессор Генкин М. Д.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Нахапетян Е. Г. кандидат технических наук, доцент Григорьев Ю. В.

Ведущее предприятие

НПО "ВНШМ им. Д. И. МЕНДЕЛЕЕВА" (г. Санкт-Петербург)

ОО.

Зашита состоится 1993 г- в/^часов мин.

на еаседании специализированного соЕета Д OOS. 42. 02 при Институте машиноведения им. А. А. Благонравова РАН

Адрес института: 101S30, Москва, Центр ул. Грибоедова, 4. тел. 925-6U-28

О диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института машиноведения РАН; Ыоскра, ул. Бардлна, 4.

тел. 131-55-16

Автореферат разослан "_" _ 1992 г.

Ученый секретарь см£ю0вета

к. т. н. / ~ ^ а А- Дубровский

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТУ.

Актуальность темы. Процесс развития и модернизации современной техники и технологии связан с проблемой создания и совершенствования средств технического контроля и измерений. От точности и надежности поступающей с информационных систем данных зависит качество и безопасность производственных процессов, транспортных средств и энергетических установок. Во многих случаях точность измерительных приборов становится препятствием на пути создания новой техники или затрудняет исследование новых физических явлений.

На протяжении последних тридцати лет в России и за рубежом особое внимание уделялось разработке средств измерений на базе вибрационно- частотных преобразователей. Высокая точность и надежность вибрационно-частотных датчиков СВЧД) при измерении статических и квазистатических величин обуславливает их широкое использование при решении задач анализа прочности конструкций и сооружений, управления технологическими процессами, в транспортных объектах, судостроении, сейсмологии и многих других отраслях техники. На основе ВЧД созданы прецизионные измерительные системы силы, веса и давления.

Основным элементом большинства ВЧД является колебательный контур или частотно-зависимая цепь с параметрами,зависящими от измеряемой величины. Во многих ВЧД частотозадащими элементами измерительной цепи являются высокодобротные механические резонаторы в виде струны, балки, пластины или оболочки. Частота колебания высокодобротных механических контуров, непосредственно зависящая от действующего на них измеряемого параметра, преобразованная в частоту колебаний электрического тока является выходным сигналом с ВЧД. Частотный сигнал является наиболее удобной формой представления сигнала для преобразования его в 'двоичный машинный код. Это обуславливает широкое применение ВЧД в информационно-измерительных системах и комплексах,' управляемых ЭВМ. К тому же следует отметить, что преобразование информации о измеряемой величине в частоту происходит непосредственно в ВЧД. т.е. без промекуточных аналого-кодозых преобразований, что не ведет к возникновению дополнительных погрешностей. Используемые в телеметрии частотные каналы связи наиболее удобны для передачи информации с ВЧД на значительные расстояния и практически не подвержены воздействию помех.

Указанные достоинства вибрационно-частотного метода измерений являются причиной того, что в нестоящее время многие ис-

следователи ведут работы по созданию новых и улучшению известных конструкций ВЧД, а такяе методов расчета их рабочих и метрологических характеристик. Разработка перспективных моделей ВЧД с использованием различных чувствительных элементов и систем регистрации позволит существенно расширить области применения ВЧД.

В настоящей диссертации разработаны новые ВЧД круткиегс момента на основе использования оболочечного чувствительного элемента. Прэдлояенные ВЧД отличаются высокими метрологическими характеристиками, простотой конструкции, надеяностью в работе.

Чрезвычайно высокие требования к применению оболочечных чувствительных злементов в ВЧД определяют актуальность расчета и проектирования оболочечных чувствительных злементов с заданной рабочей характеристикой С зависимостью собственной частоты колебаний элемента от приложенной к нему измеряемой нагрузки), наиболее чувствительной к действию измеряемой нагрузки, а так-ге анализа влияния посторонних, неизмеряемых статических силовых факторов на рабочую характеристику датчика.

На сегодняшний день проблема расчета собственных частот оболочечных упругих чувствительных элементов, работаюцих в условиях предварительного нагружения крутящим моментом или совместно несколькими силовыми факторами, одним из которых является крутящий момент, практически не разработана. Отсутствие элективных методоз расчета измерительных преобразователей данного класса исключает возмояность проведения предварительного теоретического анализа к проектирования ВЧД крутящего момента с заданными рабочими параметрами, что в свою очередь определяет важность рассматриваемой проблемы.

Установка ВЧД на объектах,подверженных воздействию вибраций или являющихся ее источником, а такне нестабильность во времени измеряемой физической величины обуславливают высокие требования, предъявляемые к метрологическим характеристикам и надежности датчика. Решение поставленных задач можно осуществить не только за счет повышения качества упругих чувствительных элементов, но и путем обеспечения зашиты датчика от внешних воздействий методами активной виброизоляции. В результате возникает ряд новых задач, связанных с изучением вопросов совместного функционирования ВЧД с системой активной виброзащиты.

Таким образом, создание новых перспективных средств измерения крутящего момента и углозых перемещений на основе ВЧД, 4

использующих оболочку в качестве чувствительного элемента, а также необходимость повышения надежности и метрологических характеристик ВЧД при наличии вибрационных воздействий определяют актуальность темы диссертационной работы.

Цель работы - разработка новых конструкций ВЧД для измерения крутящего момента и . угловых перемещений, использующих оболочку в качестве чувствительного элемента, создание универсальных методик для расчета рабочих и анализа метрологических характеристик ВЧД данного типа, а такне повышение надежности и точности ВЧД методами активной вкброзащитьг.

Методы исследования. Для решения поставленных в работе задач использовались подходы, разработанные в общей теории оболочек, применялись методы теории колебания, теории автоматического управления, а также современные численные методы оптимизации. Для проверки достоверности теоретических выводов и численных расчетов проводились экспериментальные исследования с использованием современной вибровозбудительной и измерительной аппаратуры, голографической установки.

Автор защищает следующие научные положения:

1. Методику измерения крутящего момента на основа ВЧД-крутящего момента с оболочечным чувствительным элементом.

2. Методики расчета рабочих и метрологических характеристик ВЧД крутящего момента с оболочечным чувствительным элементом, включающие:

- определение собственных частот цилиндрической оболочки, предварительно нагруженной по торцам крутящим моментом;

- определение собственных частот цилиндрической оболочки," предварительно нагруженной побочными силовыми факторами С осевой силой, давлением, или температурой) и крутящим моментом;

- определение геометрических параметров оболочки, которые оказывают наиболее существенное влияние на чувствительность ВЧД.

3. Методику повышения метрологических характеристик ВЧД, обеспечивающую снижение уровня динамических помех.

Научная новизна. В работе получены следующие новые результаты:

- теоретически исследовано влияние предварительного наг-ружения оболочки крутящим моментом на ее собственные частота, установлены соответствующие закономерности. Изучено влияние на собственные частоты оболочки других силовых факторов С осевой силы, давления и температуры).действующих совместно с крутящим

моментом.

- проведен анализ влияния геометрических характеристик оболочки на чувствительность ВЧД крутящего момента.

- разработан метод снижения амплитуды динамических помех, действующих на ВЧД, путем использования систем активной виброзащиты, в результате чего удается повысить метрологические характеристики датчика.

- определены особенности совместного функционирования ВЧД с системой активной виброзащиты, использующей принципы широкополосного и узкополосного демпфирования колебаний.

- экспериментальными исследованиями подтверждена достоверность основных теоретических результатов и работоспособность предложенных конструкций ВЧД крутяаего момента и системы подавления вибрационных помех для ВЧД.

Практическая ценность и внедрение результатов работы.

На базе проведенных исследований создан новый вибрацион-но-частотннй датчик крутящего момента и угловых перемещений, имеющий высокие метрологические характеристики. Он может быть использован в транспортных объектах, судостроении, энергомашиностроении.

Предложенные универсальные алгоритмы определения рабочих характеристик и метрологических параметров ВЧД с оболочечным чувствительными элементами могут служить базой САПР измерительных преобразователей данного класса.

Разработана система активного подавления динамических помех на входе ВЧД,позволяющая улучшить метрологические характеристики ВЧД и повысить их надежность.

Предложенный ВЧД внедрен на Московском заводе электромеханической 'аппаратуры в стенде для определения моментных характеристик электродвигателей. Это позволило осуществить подбор рабочих пар электродвигателей транспортных роботов с одно-метрической системой координат и таким образом повысить точность его системы управления.

Достоверность результатов работы обусловлена использованием основных положений математики и механики, тщательным тестированием алгоритмов расчета. Она подтверждается хорошим соответствием экспериментальных и расчетных результатов, а также положительным опытом внедрения.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на 12 Всесоюзной научно-технической конференции "Конструкционная прочность двигателей" СКуйбыяев,

1990г. ), научно-технической конференции "Надеяностъ к эффективность нетрадиционных систем сейсмозамты зданий и сооружения" С Севастополь, 1991г. 3. семинаре кафедры "Сопротивление материалов, динамика и прочность мниин" МГТУ км. 'Н.Э.Баумана (Москва, 1990г. ),секции метрологии НТО НИИ прикладной механики (Москва, 1691г.), научном семинаре Отдела виброакустики каикн Института машиноведения РАН СМосквэ, 1991г.).

Публикации. По теме диссертация опубликовано 7 работ.

Структура работы. -Диссертация состоит из введения. 4 глав, заключения и приложений, включающих 152 страницы машинописного текста, 77 иллюстраций, 13 таблиц и списка литературы из 128 наименований. Общий объем работы 224 страницы.

Автор выражает глубокую благодарность доктору технических наук, профессору Ы. Д.Генкину за консультации и постоянное внимание к работе.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во введении - рассмотрены некоторые принципиальные схемы ВЧД с электромеханическими колебательными контурами на базе чувствительных элементов в виде струны, балки, пластинки и-оболочки. Обсухдены основные преимущества и недостатки ВЧД. Обоснована актуальность проблемы и сформулирована цель исследования.

В глава 1 проведен краткий анализ известных методоз измерения крутящего.момента. Особое внимание уделено опыту ведущих отечественных и зарубежных фирм, специализирующихся на создании средств измерений крутяцего момента, в частности "Лебоу" С США). "МинеОеа" (Япония), "Симондс Прэциан" ССША), "Торкетро— ник" (Великобритания). "Хотингер" (ФРГ), "Кистлер" (Швейцария), КККИШ (Россия), ЦИАН им. Баранова (Россия) и т.д. Определены преимущества и недостатки основных методов измерения крутящего момента, а также области их предпочтительного применения. Отмечено, что достаточно перспективным является использование вибрзционно-частотного метода измерения крутящего момента. в особенности, когда требуется передача информационного сигнала с подвижных частей контролируемого объекта (например, с вращающихся залов) при условии сохранения высокой точности измерений.

Трудоемкость изготовления и сложность настройки ВЧД крутящего '/о-.'ента с чувствительным элементом в виде двухопорной балки послужили причиной разработки ВЧД крутящего момента с

У

Рис.Л. Вибрапионно-частотный датчик (ВЧД) крутящего момент; и угловых перемещений. -

Рис.2. Первичный преобразователь ВЧД крутящего момента.

I- упругий элемент; 2- оболочка; 3.4- пластом: 5- крон-£.г2йиы адаптера; 6- адаптер; 7- возбуди гель; 8- .чронитейн •<озбу;;/.толя

высокодобротнкк цилиндрическим резонатррсм.на основе которых и был сконструирован и изгстозлен целый ряд козых моментомеров. Принцип работы новых ВЧД крутящего момента основывается на свойстве цилиндрического резонатора изменять собственные частоты колебаний при приложении к нему крутящего момента. На рис.1 представлено конструктивное исполнение ВЧД крутящего момента, устанавливаемого в виде упругой вставки на вращающиеся валы. Цилиндрическая оболочка 6, изготовленная вместе с упругими щарнирными узлами 4 и 5 крепится между ведущим 1 и ведомым 2 валами. Муфта 3, выполненная в виде набора П-образных элементов, охватывает оболочку 6 л крепится к валам 1 и 2. Упругие щарниры 4 и 5 и муфта 3 позволяют выделить на оболочке измеряемый силовой фактор - крутящий момент и снизить влияние неизмеряемых силовых факторов - осевой силы и изгибающего момента. При проведении измерений, в оболочке с помощью системы обратной связи, состоящей из электромагнитных возбудителя 7 и адаптера 8, расположенных на кронптейне 10. усилителя 11, фильтра 12 поддерживаются автоколебания на одной из ее собственных частот. Мерой крутящего момента является фиксируемое частотомером 13 изменение частоты автоколебэ-' тельной системы ВЧД при приложении к нему крутящего'момента. Съем частотного информационного сигнала с ВЧД производится с помощью вращающегося трансформатора 9.

В моментокерэ. представленном на рис. 2 упругие шарнирные узлы 4 я 5 Срис.1) заменены на круглые пластины 3 и 4, расположенные перпендикулярно оси вращения оболочки 2, цилиндрические постоянные магниты возбудителя 7 и адаптера 8 Срис.15 заменены на магниты прямоугольной формы. Их число увеличено таким образом, чтобы- возбундать колебания оболочки наперед заданной формы, обеспечивающие наилучший режим работы устройства. Геометрические параметры оболочки выбираются кз условия размещения ее начальных собственных частот в диапазоне 5-1 б кГц.

Рассмотрены основные преимущества представленных ВЧД крутящего момента перед моконтокерами других типов.

Поставлены основные метрологические проблемы ВЧД. Проанализированы .некоторые систематические .ошибки, зависящие от конструкционных параметров и харсктера работы цилиндрического рззонатора ВЧД крутящего момента к особенности съема информации с ВЧД. Установлена структура погрОЕНОстей измерений и определена временная функция общей систематической погрешности

ВЧД:

где Гт- погрешность, обусловленная воздействием на оболочку ВЧД крутящего момента неизмеряемой осевой силы; Г -погрешность, вызываемая воздействием на оболочку сил инерции (при установке ВЧД крутящего момента на вращавшиеся валы); ? -погрешность, связанная с изменением температуры материала ВЧД; Г„ 0 - погрешность, вызванная воздействием других внешних неизмеряемых силовых факторов на ВЧД; Грел - ошибка, обусловленная релаксационными явлениями в материале ВЧД; Г - погрешность усреднения; - ошибка связанная с

У С рс За

возможными посторонними резонансными явлениями в конструкции датчика. Определены основные ' направления повышения метрологических характеристик ВЧД крутящего момента. Обсужден вопрос о причинах возникновения ошибки усреднения ВЧД и предложен метод ее устранения с помощь» использования систем гашения колебаний. Сформулированы требования, предъявляемые к системе подавления динамических помех ВЧД.

Глава завершается постановкой задач исследования.

Вторая глава посвящается разработке методики расчета рабочих характеристик и оценке некоторых метрологических параметров ВЧД крутящего момента. '

Проведен аналитический обзор исследований в области статики и динамики оболочечных упругих элементов. Показано, что в настоящее время в работах С.П.Тимошенко, Л.Доннелла, В.Флвгге, В.З.Власова, В.В.Новожилова, А.С.Вольмира, А..Л. Гольденвейзера и других авторов полностью разработаны методы решения задач статики, а такхз широкого круга теоретических и прикладных задач динамики цилиндрических оболочек. Отмечено, что проблема учета предварительного напрякенно-деформированного состояния оболочки, вызванного воздействием на нее внешних силовых Факторов. при определении ее собственных частот на сегодняшний день разработана недостаточно полно.

Этому вопросу посвяшены работы В.Е.Бреславского, В. 3. Власова, О.Д.Ониашзилк, И.А.Горенштейна, М.В.Никулина, Я.Фанга и Кито. Однако, методы решения, разработанные в перечисленных выше работах, используют упрощенную математическую модель, базирующуюся на линеаризованных уравнениях устойчивости оболочек.

К тому же численный результат можно получить лишь прибегая в ходе решения к дополнительным упрощениям и для ограни-

иного набора граничных условий. Получение точных и достаточ-полннх решений задач динамики предварительно нагруженных олочек вращения стало возможным лишь при появлении ЗВГ.1 етьего поколения и с использованием высокоэффективных сленных методов. Алгоритм численного определения частот к рм. а такта других динамических характеристик предварительно гругенных внешним давлением оболочек вращения предложен и [зработан 0. С. Нарайкиным.

Вопрос о влиянии статического крутящего момента на часто! собственных колебаний оболочек в настоящее время практичес-; не разработан. Автору удалось обнаружить единственную раОо-опубликованную В. Никулиным, в которой впервые выведена жбли::енная аналитическая зависимость частоты собственных копаний оболочек средней длины от действия крутящего момента. >торая представляется параболической функцией. В данной рабо-з тают делается ряд выводов относительно свойств этой час-зтной характеристики. Позднее В. Е. Бреславсклй получил рэшение эдобной задачи, га для оболочки бесконечной длины. Следу-г, однако, отметить, что принятая в работе М.В.Никулина мате-зтическая модель оболочки ;; избранный метод решения достаточ-' о упрощен;;, что накладывает серьезные ограничения на зозмо:.-:-ость использования полученных в этой работе результатов пр:; роектнрозэнни оболочек длл БЧД. В связи с этим возникает еобходимость использования более совершенных теорий я методов «¡гения, а так:-::е создания универсальных алгоритмов расчета, озволявних на базе современной вычислительной техники и ясленных методов создать САПР измерительных преобразователе," ¡асскатриваемого класса - ВЧД с оболочечнкм упругим элементом.

На основе анализа конструкции ВЧД крутякего момента выб-)аны и обоснованы расчетные схемы его цилиндрического резона-•ора. Наиболее отвечающей реальным услозиям эксплуатации ци-индрпческого резонатора БЧД является модель оболочки, совер: 'аюшей малые колебания относительно некоторого начального статического состояния, обусловленного действием крутящего гомента.

Срединная поверхность оболочки отнесена к гауссовым координатам з и .,< рис. 35. Один край оболочки Сб=0) соединен с кестким фланцем, а закрепление другого Сб=1) поззоляет приклепывать к торцу оболочки крутящий момент М.

За основное неизвестные приняты безразмерные компоненты

векторов перемещений к внутренних сил:

г„=и/Е; г„=ли?: г =«/2к Г1.

1 2 3 4 1 V. 1.

гс=0 /ЕЬ; г =Т /Еп; 2 = 5*/ЕЬ; г =М,/ЕЬг

5 Г о 1 7 0 1

отнесенные к системе координат Сг.г.Ю и являющиеся функциями переменных

Х=5/К; ч>; г={ЕЬг/[ 12атЛрЕ?4]>,/г1 =и и С2)

Здесь V/,и,V - радиальное, осевое и окрунное перемещения произвольной точки срединной поверхности оболочки; а - угол поворота нормали к срединной поверхности в меридиональной плоскости; О ,Т .Б* -радиальное, осевое к приведенное сдвигающие усилия в произвольной точке оболочки, отнесенной к единице длины параллели; Е.'п.К - модуль упругости, толщина и радиус идеальной цилиндрической оболочки; I - время; рй (1- плотность и коэффициент Пуассона материала оболочки; ы - безразмерная частота колебаний.

Используя в качество исходных уравнения нелинейной теори] оболочек, построенной на базе гипотез Кирхгофа-Лява, к считая, что материал оболочки подчиняется обобщенному закону Гука. получим с учетом С1) и С2) систему восьми нелинейных дифференциальных уравнений в частных производных, описывающую в квадратичном приближении нелинейную неосесимметричную деформацш произвольной упругой оболочки вращения:

= ГСх.г.г'.....2"1 + + ВСх^Су), СЗ)

вх -от Эт

где С...).....Г вС...) 11 - вектор, компоненты

которого представляют собой билинейные формы от функции

2 Сх.(р.т) Cj=l.....8) и их производных по углу <р с

коэффициентами, зависящими от геометрии и характеристик материала оболочки; М(х).ВСх) - квадратные С8*8) матрицы-. - вектор. зависящий от параметра у внешней статической

У Л

Рис.3.

нагрузки Сдавления, температуры).

Компоненты вэктора состояния 2Сх, р.т) представлены з виде

г Сх,?>,т;)=г сх) +

1. 2, 4, 5 . 6 , а ' г' 1,2,1,5,0,8

О

......в СхЭсо^гсозк, + I Сх^х^пкр

к«0 ^ к.1 J -1

гз 7СХ,Р,Т)=2з 7СХ) + С4)

' ' о

1-1 ' j * к.О * j

где 2.0Сх) - компоненты вектора начального напрягенно-де-формировапного состояния С1=1.... ,8);?|''Сх) - амплитуды безразмерных перемещений и внутренних силовых факторов при колебаниях с 2к узловыми мерадвгнаяк. Функции с верхним индексом "с" соответствуют симметрично,! деформация оболочки относительно нулевого меридиана, функции с верхним индексом ";;" - кососимметричной деформации; х* - безразмерная круговая частота свободных колебаний с 2к узловыми меридианами и ,}-км числом полуволн в осевом направлении. Рассматривается только равномерное распределение внешней нагрузки у по поверхности оболочки.

Функции г Сх) и 5^'Сх) определяются путем последовательного решения системы нелинейных дифференциальных уравнений динамики оболочки,которые можно записать в вокгсрно-матричном виде

Ш = Г0Сх.^+В0Сх)д0Ст).

= АСк.х;к,.2оСх).т)5^и,_ С6)

где г0Сх)= 1210Сх).....200Сх)Г_

5*'8,к)Сх) = 1^""Сх)....,5<;(к)Сх) е'1к)Сх).....Е*(к,Сх)1т.

Сформулированы краевые условия, которым долины быть подчинены решения уравнений С5) и С 6):

х=0, В"2 СО)=Р: В 2 С!уР)=0. С7)

О О 10

В*= <С" У: В =СС ), Ср=1.....5; п=1.....4: ш=1.....8)

О орт I. 1гт 1

Р= 10,0,0,0,М /2хЕгЕЫт. к р

■ х=0, Но^к)СО)=0; х=1Ж Н^^'СЬ/Ю^ С83

н„=«„и>. нь=Чи>- .....8: ^.....16)-

Для нахождения рекения системы нелинейных уравнений С5) с граничными условиями С7) используется алгоритм непрерывного продолжения реаения по параметру на основе метода Рунге-Кутта. Ка каждом шаге по параметру решение линеаризованной краевой задачи получено с помощью метода ортогонализапии С.К.Годунова. Полученный в результате решения вектор 2 используется для формирования матрицы А системы (6).

Численное реаениэ задачи вычисления собственных значений СО) и С8) такко было реализовано методом ортогонализашш С. К. Годунова.

Рис.4. Рабочие характеристики ВЧД крутящего момента.

С помощью численного расчета получены рабочие характеристики ВЧД крутящего момент с оболочечным чувствительным элементом. На рис.4а.б представлены.зависимости собственных частот колебаний оболочки от приложенного к ее тосцу

"А

крутящего момента, при следующих параметрах оболочки: L=49mm, R=9,25mm, h=0.1км, Е=1.85х-10,1Ла: д=0.33; р=8200 КГ/М3 И двух условиях ее закрепления.

Установлены основные закономерности поведения собственных частот цилиндрической оболочки при ее нагруаении крутящим моментом. Методика расчета позволяет также определять предельный крутящий момент и форму потери устойчивости оболочки для любых условий крепления ее торцев.- На базе анализа частотных характеристик цилиндрического резонатора ВЧД даны рекомендаций по выбору его основных форм колебаний, которые обеспечивают максимальную девиацию частоты в' зависимости от действующего на торцах оболочки крутящего момента.

• Предложено, при проведении инженерных расчетов, аппроксимировать зависимость собственной частоты колебаний оболочки от действия крутящего момента эллиптической функцией

Xlk,= x'V /l- (M<k)2/ M(k,2f , С9)

1 ТО ¡ср

где х1к)- к-ая собственная частота колебаний оболочки без 1 о

предварительного нагрукения; М^к> - предельный крутящий момент, соответствующий потере устойчивости оболочки по к-ой форме.

Рассмотрен вопрос о влиянии неизмеримых Спобочных) статических силовых факторов, к которым относятся осевая сила, равномерно распределенное давление, температура на рабочие характеристики ВЧД крутящего момента. Возможность оценки характера и величины вклада возмуиаюаего силового фактора в рабочую характеристику ВЧД позволило наметить пути учета и компенсации возникающих погрешностей еще на стадии проектирования, а такие в процессе измерений ВЧД.

Проведен анализ влияния геометрии цилиндрического резонатора на его чувствительность к действию крутящего момента.

В третьей главе рассматривается вопрос улучшения метрологических характеристик ВЧД методами активной виброзащиты.

Отмечено, что из-за нелинейности рабочей характеристики ВЧД и изменения во времени измеряемого параметра возникает погрешность усреднения.

На основе аппроксимирующей зависимости рабочих характеристик ВЧД крутящего момента С9) выведено аналитическое выражение для ощибки усреднения:

Гс

г =/

уер. /

1 +

(Ж)'

ш С1- я')

СЮ)

где т=МСО/М , га - среднее значение параметра ш за время измерения, .Дт - отклонение параметра во времени от среднего

значения, ¿т =^ГАтсИ; Сйт)';=±-1СиЛ1)':с11. То То

При гармоническом отклонений измеряемого параметра во

времени от среднего с амплитудой ¡г,

Л

щ2[0. 5- - <;_1_-ссбыТл2

4иТ

оТ

ус р.

Ш Ш

[ш+ —С1+созиТ)12а-[т+ -¿С1-сс2оТ)]-> «Т иТ

1. С11)

В целях снижения величины ошибки усреднения предложено осуществлять' гашение динамических помех перед измерительным входом ВЧД Методами виброзащиты.

[вч» хЛ^гЗшь

Рис.5. Схема активного подавления помех в ВЧД.

Рис.6. Расчетная схема ВЧД с системой активного подавления помех.

Проведен анализ методов и конкретных схем виброзааиты, которые могно применять в качестве системы гашения динамических помех ВЧД. Рекомендовано, для решения поставленной задачи использовать актизные вкброзааитные системы, устанавливаемые параллельно ВЧД С рис. 5). В целях обеспечения максимальной эффективности снизэник резонансных амплитуд колебаний упругого

тела ВЧД в широком частотном диапазоне, вызванных воздействием динамических помех, а также для того, чтобы исключить возможность возникновения дополнительных погрешностей в статическом информационном сигнале ВЧД, система актизного подавления помех использует принцип управляемого демпфирования колебаний.

Ка модели ВЧД в виде упругой торсионной балки С рис.6) изучены вопросы динамики совместного функционирования ВЧД с системой активного подавления помех.

Представленная математическая модель описывается уравнением динамики торсиона;

- Ы^ -рП О. - С12)

б* 31 0 51

с граничными условиями

5=0, 0=0;

5=1, -I I? т М е1и\ Му=УСо)о. С13)

61 'б1г я

К С.;) до

где >р = —-— —х= 61 С5) - жесткость торсиона на 1 о? к

кручение, I С5),1л - мочопт инерции сечения торсиона, момент

яаершга фланца; Иу - управляющее силовое воздействие; УС о) -передаточная функция канала управления; й=о+ю - комплексная собственная частота колебаний торсиона; Ь - внешняя диссипация; р - плотность материала торсиона; М - амплитуда динамической нагрузки.

Решение задач определения собственных частот и вынужденных колебаний торсиона с системой управления проводилось численно. на основе метода комплексных амплитуд и метода оргого-нэлизации С.К.Годунова.

Исследованы устойчивость и эффективность активных систем подавления динамических помех, реализующих принципы широкополосного и узкополосного демпфирования. Узкополоснсе демпфирование формировалось с иомоаью фильтров 4-ого порядка. Проведен анализ влияния конструктивных элементов торсиона на эффективность работы системы подавления помех. Отмечено, что при они-гоня:: амплитуды динамической помехи на 10-20 дБ величина ошиб-;;л усреднения уменьшается ка 1-2 порядка.

В ■'■ глазе изложена методика экспериментального исследоза--Л собственных частот предварительно нагруженных сболочечных "псуглх чувствительных элементов.

Цель экспериментальных исследований заключается в проверке эффективности предложенного в работе метода измерения крутящего момента и угловых перемещений с помощью ВЧД на основе оболочечного чувствительного элемента; проверке соответствия принятой динамической модели цилиндрического резонатора ВЧД реальному объекту исследования; проверке точности разработанных мэтодов к реализующих их алгоритмов расчета рабочих характеристик ВЧД; проверке эффективности предложенного метода подавления динамических помех ВЧД.

На разработанной экспериментальной установке проведена тарировка рабочей характеристики ВЧД крутящего момента. Приведена результаты статистической обработки данных испытаний. Вариация показаний в зоне измерения рабочей характеристики ВЧД на превышает 0,5%.

Экспериментально определена зависимость собственных частот колебаний оболочки от угла закручивания ее торцов. Проведено сопоставление полученных теоретических к экспериментальных результатов, показавшее их хорошее совпадение.

■ Голографическим методом усреднения по времени проведено исследование спектра собственных частот и форм колебаний не-нагрукенной оболочки.

Эффективность работы системы по подавлению динамических помех, действующих на ВЧД, проверена при силовом гармоническом возбуждении конструкции измерительной системы на одной из ее собственных частот. Показано, что при совместном функционировании датчика и системы подавления помех удается практически •: полностью устранить ошибку усреднения измерительной системы.

Приведены результаты применения разработанного ВЧД в испытательном стенде, созданном на Московском заводе электромеханической аппаратуры к предназначенном для определения мо-ментных характеристик электродвигателей типа ПЯ 25ОФ. Стенд позволяет определять значение крутящего момента с погрешностью 0.8Э;, а при коррекции результатов с учетом изменения температуры окрукавщэй среды - 0.5%.

Основные результаты и выводы.

1. Создан новый ВЧД крутящего момента и угловых перемещений с оболочечным чувствительным элементом, принцип работы ко--торого основан на сзойстве цилиндрического резонатора изменять собственные частоты колебаний при воздействии на него крутящего момента.

2. Проведены экспериментальные исследования, в ходе кото->ых подтверждена эффективность предложенного метода измерения :рутящего момента и угловых перемещений. Установлено, что размотанный ВЧД имеет- высокие метрологические характеристики. :то позволяет использовать его в точных измерительных комплексах, в частности, в установке для определения моментных харак-'еристик электродвигателей транспортных |х>ботов.

3. На основе выбранной динамической модели разработан 'ниверсальный алгоритм численного расчета собственных частот [редварительно нагруженных цилиндрических оболочек, который <ает возможность учесть воздействие на оболочку как отдельных ¡иловых факторов, так и их комбинации.

4. Определены рабочие характеристики ВЧД крутящего момен-■а с оболочечным чувствительным элементом, проведен их теоре-'ический анализ и установлены важнейшие закономерности. Пред-южены эмпирические зависимости, достаточно точно аппроксими-)ующие рабочие характеристики ВЧД крутящего момента. На их >снозе разработана инженерная методика, позволяющая осуществить выбор конструктивных параметров резонатора ВЧД, отвечавши) заданным требованиям к его частотной характеристике. Исследовано влияние геометрии цилиндрического резонатора ВЧД 1а его чувствительность к действию крутящего момента.

5. Установлены количественные и качественные законсмер-юсти влияния неизмеряемых Спобочных) статических'силовых факторов, к которым относятся осевая сила, равномерно распределенное давление, температура на рабочие характеристики ВЧД футяаего момента. В результате намечены пути учета и компенсации возникающих погрешностей еще на стадии проектирования али в процессе измерений, что приводит к улучшению метрологи-?еских характеристик ВЧД.

6. Получена аналитическая зависимость, позволяющая оце-шть погрэЕКость усреднения, возникающую при измерении параметров динамических процессов ВЧД. Предложена методика снижения величины погрешности усреднения путем гашения динамических зомох перед измерительным входом ВЧД средствами активной виб-розашиты.

7. На модели ВЧД в виде упругой торсионной балки проведен теоретический анализ, динамики совместного функционирования ВЧД с системой активного подавления помех, включающий:

- анализ устойчивости системы активного подавления помех ЗЧД. "

- анализ эффективности активной системы подавления помех, реализующей принципы широкополосного и узкополосного демпфирования.

- определение конструктивных параметров ВЧД и исполнительных элементов системы подавления динамических помех, при которых система управления становится неэффективной на некоторых резонансных частотах.

8. Достоверность полученных в диссертации научных полоке-ний и закономерностей подтверждена сравнением экспериментальных данных с результатами численного расчета, показавшем адекватность выбранных динамических моделей реальным объектам исследования и эффективность применяемых численных методов и вычислительных алгоритмов,а такве положительным опытом внедрения

Основные результаты диссертации опубликованы в работах:

1. Кравченко C.B., Зткин Д.Л. Динамика активных виброизолирующих опор самовозбуждаюпшхся роторных систем. -М.: Изв.Вузов. Машиностроение, 1^0. N8. с. 13-18.

2. Нарайкин О.С., Эткин Д.Л. Расчет рабочей характеристики, вибрационно-частотного .датчика крутящего момента с оболо-чечным чувствительным элементом. -М.: Вестник МГТУ. Машиностроение, 1991, N4. - с. 106—114.

- 3. Нарайкин О.С., Эткин Д.Л. Влияние внешних возмущений и геометрии ■ цилиндрического резонатора вибрационно-частотного датчика крутящего момента на его чувствительность. -М.: Вестник МГТУ. Машиностроение, 1992, ГО. (принято к печати).

4. Нарайкин 0. С., Дадонов В. А., Эткин Д. Л. Численное моделирование свободных колебаний цилиндрического резонатора частотного'датчика крутящего момента. В .кн.: Тезисы докладов 12 Всесоюзной научно-технической конференции "Конструкционная прочность двигателей". - Куйбышев, 1990. - с. 107.

5. Кравченко C.B.Эткин Д.Л. Некоторые задачи активной виброзапшты неконсервативных механических систем. В кн. : Тезисы докладов 12 Всесоюзной научно-технической конференции "Конструкционная прочность-двигателей". - Куйбышев. 1990. - с.107.

6. Эткин Л.Г.. Эткин Д.Л. Устройство для измерения крутящего момента. A.c. N 1682837. Kji.GOI L3/10

7. Зайцев Д.М.. Эткин Л:Г.. Эткин Д.Л. Способ измерения крутящего момента и устройство для его осуществления. А. с. по заявке 4884069 ССССР). Заявл. 21.11.90. Полож. решение от 30.10. 91. Кл.GO! L3 ¡0

20 РАН.Еек..'." 44.Tinrar. ICC дез.Подл.в печать 15.С4.