автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.13, диссертация на тему:Совершенствование средств контроля параметров удара за счет выбора рациональных характеристик датчика скорости

На правах рукописи

ПАСТУХОВА ЕЛЕНА ИВАНОВНА

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ СРЕДСТВ КОНТРОЛЯ ПАРАМЕТРОВ УДАРА ЗА СЧЕТ ВЫБОРА РАЦИОНАЛЬНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ДАТЧИКА СКОРОСТИ

Специальность 05.11.13 - «Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

£<Р235"

На правах рукописи

ПАСТУХОВА ЕЛЕНА ИВАНОВНА

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ СРЕДСТВ КОНТРОЛЯ ПАРАМЕТРОВ УДАРА ЗА СЧЕТ ВЫБОРА РАЦИОНАЛЬНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ДАТЧИКА СКОРОСТИ

Специальность 05.11.13- «Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 '¿¿4190

Работа выполнена на кафедре «Детали машин» Омского государственного технического университета (ОмГТУ)

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Стахановский Борис Николаевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Щербаков Виталий Сергеевич

кандидат технических наук, доцент Рожков Николай Федорович

Ведущее предприятие:

Федеральное государственное унитарное предприятие Конструкторское Бюро транспортного машиностроения, г.Омск

Защита состоится 28 декабря 2005г. в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 212.178.01 при Омском государственном техническом университете по адресу: 644050, г.Омск, пр. Мира, 11. Тел./факс: 8(3812) 65-26-09.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Омского государственного технического университета.

Автореферат разослан 25 ноября 2005г.

Ученый секретарь диссертационного совета, к.т.н., доцент / М.Ю. Пляскин

«•ос. национальная!

БИБЛИОТЕКА |

лзахи

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Сегодня нельзя назвать практически ни одного объекта контроля или производственного процесса, который не испытывал бы воздействия ударных нагрузок - штамповка, ковка, дыропробивные работы, выполнение работ в экстремальных условиях по разбивке и расчистке обвалов горных выработок, ликвидация последствий пожаров, землетрясений и других проявлений стихийных бедствий. Практически для большинства изделий гражданского и военного назначения необходимо предусмотреть возможные ударные воздействия, возникающие при транспортировке и эксплуатации.

За предыдущие годы в мировой практике разработано значительное количество ударных механизмов с энергией удара от 2 Дж до 150 КДж и частотой от 30 до 3000 ударов в минуту, предназначенных для выполнения различных технологических операций.

Широкое применение машин и механизмов ударного действия в строительном и горном деле, при динамических испытаниях и в других отраслях народного хозяйства обусловило необходимость контроля параметров удара -энергии, скорости тел до и после удара, к.п.д. передачи энергии, ускорения, коэффициентов отскока и восстановления.

К средствам контроля предъявляются высокие требования по производительности и достоверности, надежности, простоте изготовления и эксплуатации, а также, что очень важно в условиях массового производства контролируемых изделий - по стоимости.

Имеющиеся в настоящее время в распоряжении разработчиков, изготовителей и эксплуатационников средства контроля не удовлетворяют их в полной мере. Для существующих методов и средств контроля параметров удара характерно либо применение неудобных для серийных измерений приемов, либо проведение точных измерений, но за счет привлечения многоэлементной базы и сложной аппаратуры, либо выполнение в лабораторных условиях с продолжительным временем обработки данных, либо простота применения, но ненадежность результатов.

Цель работы и задачи исследований. Цель работы заключается в совершенствовании и развитии средств измерения параметров удара.

Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих задач:

1. Осуществить анализ и синтез конструкции датчика ударной скорости.

2. Разработать математическую модель рабочего процесса предложенного датчика ударной скорости, учитывающую взаимосвязь динамики элементов магнитопровода с конструктивными параметрами датчика.

3. На основе анализа известных конструкций датчиков ударной скорости, используя теоретические основы механики, электротехники и теории удара, создать измерительное устройство, лишенное недостатков известных образцов.

4. Предложить инженерную методику расчета при проектировании элементов датчика ударной скорости.

Методы исследований выбирались исходя из постановок решаемых задач. Основные результаты диссертационной работы получены на базе фундаментальных законов и уравнений механики, электродинамики и теории удара. Поиск количественных соотношений между исследуемыми параметрами осуществляется с помощью аналитических методов математического анализа. При создании модели для анализа динамических процессов использовались методы математического моделирования и численные методы решения дифференциальных уравнений, в том числе с использованием ЭВМ. С целью проверки эффективности разработанных образцов датчика ударной скорости применены методы активного эксперимента на специальных лабораторных стендах и в производственных условиях.

Научная новизна диссертационной работы обусловлена следующими положениями:

1. Создана математическая модель рабочего процесса датчика ударной скорости для базовой конструкции и ее вариантов, учитывающая взаимосвязь динамических свойств элементов магнитопровода с конструктивными параметрами датчика и механическими свойствами материала элементов.

2. Разработан алгоритм исследования работы ударного механизма датчика на ЭВМ.

3. На основе современной теории упругопластического удара установлены оптимальные скорости соударения витков упругих элементов датчика, применительно к пружинам различных габаритов и скоростям разрыва магнитопровода, которые в свою очередь определяют диапазон измерения датчика.

4. Проведен анализ точности расчета контактных напряжений и допустимых измерительных усилий в управляющих приборах контроля и даны рекомендации по использованию датчика ударной скорости для приборов активного контроля с целью определения динамической составляющей полного измерительного усилия.

5. Разработано устройство для неразъемного соединения деталей с применением формирователя ударного импульса в электролите, в измерительной системе которого используется датчик ударной скорости.

Практическая ценность и реализация результатов работы заключается в следующем:

- обоснованы и разработаны конструкции датчиков ударной скорости, обладающие высокими мощностью выходного сигнала и качеством по показателям точности, ударозащищенностью и простотой конструкции, два из которых защищены патентами;

- создана программа для решения на ЭВМ задач динамики и выбора основных параметров датчика ударной скорости, зарегистрированная в фонде алгоритмов и программ;

- разработана инженерная методика расчета элементов датчика скорости удара, внедренная в ОАО «Научно-производственное предприятие «Эталон»;

- изготовлены и исследованы экспериментальные образцы датчика ударной скорости;

- действующий образец датчика ударной скорости используется в учебном процессе, как наглядное пособие по разделу «Индукционные датчики» курса «Измерение механических величин», а компьютерная программа и методика расчета упругих элементов может быть применена при выполнении лабораторной работы «Испытание витых цилиндрических пружин растяжения и сжатия» по курсу дисциплины «Детали машин и основы конструирования» в технических вузах;

- разработано и защищено патентом устройство для неразъемного соединения деталей с применением формирователя ударного импульса в электролите.

Достоверность основных теоретических положений подтверждается корректным применением соответствующего математического аппарата при выводе основополагающих зависимостей и анализе полученных выражений; теоретическими расчетами, согласующимся с результатами других авторов; проверенными математическим моделированием и экспериментальными исследованиями; апробацией результатов работы перед научной общественностью; удовлетворительным согласованием расчетных и экспериментально определенных параметров и характеристик. Основой оценки достоверности полученных результатов явились экспериментальные работы по определению технических характеристик датчика.

На защиту выносятся следующие основные положения, каждое из которых обладает новизной, имеет научную и практическую ценность и направлены на решение поставленных задач:

- математическая и конструктивная модель датчика ударной скорости;

- методика расчета при проектировании элементов датчика для различных скоростей разрыва магнитопровода;

- результаты теоретических и экспериментальных исследований, подтверждающие эффективность и достоверность проведенных научных исследований.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы и ее отдельные результаты докладывались, обсуждались и получили одобрение на II научной конференции «Проблемы динамики и прочности исполнительных механизмов и машин» (г.Астрахань, 2004); V международной научно - технической конференции «Динамика систем, механизмов и машин» (г.Омск, 2004); всероссийской научно - технической конференции с международным участием, посвященной 30-летию кафедр «Автомобили и тракторы» и «Тепловые двигатели» «Современные тенденции развития автомобилестроения в России» (г. Тольятти, 2004); международной научно - технической конференции «До-рожно - транспортный комплекс как основа рационального природопользова-

ния», посвященной 100-летию со дня рождения доктора технических наук, профессора К А.Артемьева (г.Омск, 2004); всероссийской научно - технической конференции с международным участием «Теплофизические и технологические аспекты управления качеством в машиностроении», посвященной 90-летию со дня рождения А.Н.Резникова (г.Тольятти, 2005).

Публикации. Основные результаты теоретических и экспериментальных исследований отражены в 15 печатных работах, в числе которых 3 патента и 1 программа, зарегистрированная в фонде алгоритмов и программ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка и приложений. В целом работа содержит 194 страницы, 59 рисунков, 11 таблиц, библиографический список из 78 наименований и приложения на32страницах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дано обоснование актуальности темы, сформулирована цель работы, описаны методы исследований. Приведены основные положения, выносимые на защиту, изложены сведения о научной значимости и практической ценности, реализации и апробации работы.

В первой главе выполнен анализ наиболее часто применяющихся методов и средств контроля параметров удара машин и механизмов ударного действия и было отмечено, что большинство из них основываются на прямом измерении скорости бойка-ударника и определении других параметров удара косвенными измерениями.

Рассмотрев измерительные преобразователи, действие которых основано на различных физических принципах, были сделаны следующие выводы: методы дифференцирования кривой перемещения и индикаторной диаграммы требуют значительных графических построений и продолжительного времени обработки; метод шариковых отпечатков не отличается требуемой точностью; надежность измерений методом время-пролетного датчика и дифференциального анализатора определяется минимально возможным базовым расстоянием соударения бойка с инструментом; для реализации метода индикации мерного участка пути нужна многоэлементная база, что снижает его надежность; использование тензорезисторов имеет длительный процесс подготовки к проведению измерений; применение магнитоупругих датчиков характеризуется сложной схемой измерений и неоднозначностью магнитоупругого эффекта, поскольку для одного и того же материала под действием механического напряжения магнитная проницаемость в слабых полях может возрастать, в то время как в сильных полях - падать.

Как видно, существующие средства измерения параметров удара имеют ряд недостатков, которые не позволяют получить максимальный эффек1 от их применения. Это или недостаточная ударная прочность, или сложность и трудоемкость крепления, или малая достоверность, или высокая стоимость. По-

этому разработка датчика, имеющего высокую чувствительность и ударную прочность при небольшой его стоимости, является важной технической задачей.

Во второй главе обоснован выбор индукционного первичного преобразователя для использования в приборах контроля параметров удара и приведена базовая конструктивная схема датчика ударной скорости с катушкой под-магничивания, устанавливаемого на измерительной пике ударного механизма (рис.1).

Геометрические и физико-механические параметры измерительной пики соответствуют характеристикам рабочего инструмента, что абсолютно приближает процесс измерения к реальным условиям эксплуатации ударного механизма. Так после удара ударником по инструменту 12, он начинает движение, перемещая шайбу 9 и крышку 6 относительно корпуса 5. В момент отрыва крышки 6 от корпуса 5, измерительным прибором ИП фиксируется максимальное значение ЭДС, наводимой во вторичной обмотке катушки, прямо пропорциональное скорости рабочего инструмента. Возврат крышки в исходное положение обеспечивает пружина 8.

При последующих ударах работа датчика аналогична вышеописанному.

Поскольку измерительная пика и рабочий инструмент взаимозаменяемы, то возможно применение одной измерительной пики с установленным на ней датчиком для контроля параметров удара как механизмов одного типа, так и механизмов иного типа, но с одинаковыми размерами хвостовика инструмента.

Например, с помощью датчика ударной скорости можно определять параметры удара молотков отбойных пневматических МО-5ПМ, МО-6ПМ и МО-7ПМ, выполненных по одной конструктивной схеме и отличающихся между собой длиной ствола и ударника.

Предлагаемый датчик обладает высокой мощностью выходного сигнала Р

P = V F cosa

где F - электромагнитная сила; V - предударная скорость бойка; а - угол между векторами силы и скорости. Поскольку вектора силы и скорости коллинеар-ны, то cosa = 1.

При конструкторском проектировании датчика были использованы единые научные принципы, позволяющие добиться высокого качества по показателям точности.

Так соблюдение принципа кратчайших функциональных, кинематических и размерных цепей, согласно которому число звеньев любой цепи должно быть минимально возможным, привело к тому, что датчик базируется непосредственно на цилиндрической поверхности измерительной пики, соосно с ней.

Причем крышка 6, выполненная заодно с цилиндрической втулкой, являясь частью магнитопровода, одновременно выполняет функцию посадочной поверхности, тем самым исключает из конструкции датчика крепежное приспособление, являющееся дополнительным звеном размерной цепи.

Кроме того, за счет резкого изменения магнитного потока в момент разрыва магнитной цепи датчика возникает ЭДС сигнала до нескольких вольт, что позволяет использовать сравнительно малочувствительные указатели на выходе измерительной цепи и регистрировать измеряемую переменную величину осциллографом или импульсным вольтметром без предварительного усиления. Это выгодно отличает данный датчик от существующих, например, тензодатчиков, у которых значение выходного сигнала не более нескольких милливольт.

На основе разработанного датчика ударной скорости с катушкой подмаг-ничивания, был предложен конструктивный вариант -накладной датчик ударной скорости с постоянным магнитом (рис. 2). По способу возбуждения магнитного поля целесообразно вместо намагничивающей обмотки использовать постоянный магнит. Отсутствие ударных нагрузок непосредственно на магнит, позволяет длительное время сохранять его магнитные свойства. Датчик работает следующим образом.

После удара ударником по измерительной пике, на которой неподвижно закреплен датчик ударной скорости, ударный импульс передается корпусу 7, который отрывает крышку 4 от стакана 1, тем самым, разрывая магнитный поток, перпендикулярный поперечному сечению магнитопровода. В момент отрыва, регистрирующим прибором 8 фиксируется максимальное значение ЭДС, наводимое магнитом 3, прямо пропорциональное скорости рабочего инстру-

Рисунок 1 - Базовая конструктивная схема датчика ударной скорости: 1 - источник магнитного поля; 2 - электромагнитная катушка; 3 - обмотка питания; 4 - измерительная обмотка; 5 - верхняя часть корпуса; 6 - крышка корпуса; 7 и 8 - пружины сжатия; 9 - шайба; 10 -опорный элемент; 11 - стопорное кольцо.

мента. Возврат крышки 4 в исходное положение после удара обеспечивает упругий элемент 6.

При последующих ударах работа датчика аналогична вышеописанному.

Предлагаемый датчик обладает

- высокой мощностью выходного сигнала, поскольку имеет площадь разрыва магнитного потока

8 = + о32 - о22), увеличение которой напрямую влияет на возрастание мощности выходного сигнала;

- конструкция корпуса и наличие изолятора защищают датчик от попадания внутрь твердых частиц, приводящих к заклиниванию подвижных элементов;

- использование постоянного магнита в качестве источника магнитного поля упрощает конструкцию датчика;

- возможность накладки датчика на испытуемый обьект таким образом, чтобы ось симметрии датчика совпадала с направлением ударного импульса и неподвижное крепление на нем, например, с помощью клея или смолы, позволяет исключить зависимость от размера посадочной поверхности крепежного приспособления при выборе типа датчика, как это имело место в предшествующих моделях.

Так, например, сваебойный гидромолот может быть оснащен контрольно-измерительной системой с ноутбуком для записи параметров забивки, в которой в качестве первичного преобразователя используется накладной датчик ударной скорости. При этом датчик крепится на наголовнике, который поставляется в комплекте с гидромолотом и соответствует определенному типоразмеру свай.

Во время проведения приемо-сдаточных работ условия измерений необходимо приблизить к реальным условиям эксплуатации механизма. Повысить достоверность результатов измерений и уменьшить рассеяние энергии удара рабочего инструмента по измерительной пике, имитирующей сваю с установ-

скорости с постоянным магнитом: 1 - стакан; 2 - измерительная обмотка; 3 - постоянный магнит; 4 - крышка; 5 и 6 - упругие элементы; 7 -корпус; 8 - регистрирующий прибор; 9 - изолятор.

ленным на ней наголовником, возможно при отношении волновых поперечных сечений Я = 1.

При этом к определяется как

где р|, рз — плотность материала измерительной пики и инструмента, а!,а2 скорость распространения волны деформации в материалах измерительной пики и инструмента, так для стали аст=5000^-; 8,;82 - площадь поперечного сечения измерительной пики и инструмента, м2.

Таким образом, ударные испытательные стенды должны быть оснащены набором образцов-объектов (сваи, различные типы фунта, бруски строительных материалов), по своим геометрическим и физическим свойствам соответствующих типоразмерам рабочего инструмента. При этом выбор образца должен осуществляться исходя из выражения (1).

Датчик ударной скорости можно представить в виде расчетной схемы, основными элементами которой являются корпус т,, подпружиненный пружиной с жесткостью С| и крышка корпуса гтъ, подпружиненная пружиной с жесткостью с2 (рис.3).

За длину системы для базовой конструкции, в пределах которой происходят динамические изменения, принято расстояние между шайбой и опорным элементом, а для других модификаций это будет расстояние между внутренними стенками корпуса, расположенными перпендикулярно оси датчика. Между крышкой и корпусом датчика действует сила магнитного притяжения, обусловленная наличием магнитного поля, создаваемого постоянным магнитом или катушкой подмагничивания.

Перемещение подвижных элементов датчика, в соответствии с основным законом динамики, описывается дифференциальными уравнениями с учетом всех действующих сил, включая электромагнитную силу между т, и т2.

При составлении математической модели были приняты следующие допущения: во время удара неударными силами трения, сопротивления, тяжести и т.д. можно пренебречь, поскольку в момент взаимодействия соударяющихся тел ударная сила на несколько порядков больше других сил. Боек рабочего инструмента, корпус и крышка датчика, а также другие соударяющиеся элементы - абсолютно жесткие.

При математическом описании рабочего процесса датчика ударной скорости приняты следующие обозначения: Ш] и ш2 - масса корпуса и крышки; с, и с2 —

жесткости упругих связей т, и т2;

— = ^ - частота свободных колебаний

пружины

частота свободных колебаний пружины с,;

а)

и

/77,

Ъо

ы

6)

Ь1\ - и

¿ж.

Ую«0 р

в)

1, = ^6х, - М • ] - текущий момент времени; At=Дt1 = Д12 =.... = А1, - шаг времени, который можно принять постоянным и его величина зависит от продолжительности цикла движения элементов датчика; \ - число шагов;

х1, + х21 + х„ + Ь,+Ь2 = а - расстояние между базовыми поверхностями, ограниченными стенками корпуса; х„ и Х21 - длины пружин в ¡-й момент времени; х3| - зазор между Ш,и ш2 в соответствующий момент времени; Д # и Ь-2! - перемещение тел ш,и ш2 за шаг времени А^; 5]Ах,, и £Дх2, - перемещение тел Ш! и ш2за период ; V,, и У21 - текущие скорости; ДУ„ и ДУ2, - изменение скоростей; ^и ¥ь- силы, развиваемые пружинами; Ри - сила электромагнитного притяжения двух тел; V,,, У2уи Р1у0, Р2у0 - скорости масс

и силы пружин в момент соударения; и, и ди, - текущая

Рисунок 3 - Расчетная схема датчика скорость и приращение скоро-

ударной скорости сти массы Ш, +ш2.

При исследовании процесса работы механизма, весь рабочий цикл разбивается на основные фазы (рис.4).

Первая фаза. Перед ударом в момент времени 1=0, корпус Ш| и крышка ш2 образуют замкнутый магнитопровод, а начальный зазор х30 между ними обусловлен отклонением от плоскостности и наличием шероховатости контактирующих поверхностей, вследствие неточности их изготовления.

На тела Ш1 и ш2 действуют силы сжатия пружин Р1(р Р^ и силы взаимного магнитного притяжения тел Р^.

Рш = с,.(^,-х10), Р2„=с2.(^2-х20); (2)

Р20>Р10 - для обеспечения плотного контакта ш2 с ударной пикой (волноводом).

г)

По измерительной пике датчика ударной скорости бойком рабочего инструмента (отбойного молотка, молота, перфоратора и т.д.) наносится удар, приводящий к резкому увеличению скорости У2, отлету крышки пъ и разрыву маг-нитопровода.

Вторая фаза. В начальный момент времени сразу после удара бойка по рабочему инструменту корпус ш, еще неподвижен УИ1=0, а крышка т2, разрывая магнитопровод, отлетает от корпуса со скоростью У20 и движется по прямой, проходящей через их центры тяжести.

г -1-Е1 Г р

—;ДУ21=-^—--Д^; (3)

ш, ш2

При этом скорость первого тела увеличивается, а второго - уменьшается.

У21=У2()-£ДУ2,; (4)

Дх„=У„.Д1,, Дх2,=У2,-Д1,, (5)

Происходит растяжение пружины с,, а пружина с, сжимается, т.е. ее деформация увеличивается на величину Ах21за каждый интервал времени Д1,

х„=х,„ + £Дх„, х21 = х20-]£Дх2,; (6)

(7)

, (8)

хз,

Р.^нгс .-ХАХ,,, Р21=р20+с2-5;дх21. (9)

При начальных условиях 1=0, V, =0, У2 = У20, хи = х10= х,, х2, = х20 = х2

00)

А """ х„

Хз" . , =0; (11) тДа-х^Хз-Ь,-^)

т2 - -с2(£2-хя + £ Дх2,) + ^, (12)

Л х,,

Хг^-Х.+^^А , = (13)

т2(а-х|-х2-Ь|-Ь2)

Расчет ведем до тех пор, пока тело т, не остановится, т.е. У2, = 0. Третья фаза. У21 = 0. Длина максимально сжатой пружины с2 равна х,-х2тш, а сила Р,1М<. Характер движения корпуса ш, не изменился, а крышка т2 после остановки начала движение под действием силы магнитного притяжения и силы разжимаемой пружины с2 навстречу корпусу т,, при этом сила второй пружины Р2| уменьшается

Р..=Р.о-с.-2Дх.,. Рг,=Р2т-с2-£|Дх2,|; (15)

|=т

Ч,=1ау„, У2,=£ДУ21; (16)

Ах„="У1,-Д^, Дх2,=-У2,-М,-тело движется навстречу ш,. (17)

п

Суммирование приращений перемещений ]£]|Лх21| ведем от координаты

Х2тт

Х2, = Х2тт+|ХДХ2,|- (18)

При начальных условиях У3> =0 и хг=х2тю

х.+^-хД2-^ Х*> =0, (19)

т|(а-х1-х2-Ь,-Ь2)

-—-= 0" (2°)

2 2 2 2 2 ш2(а-х,-х2-Ь,-Ь2)

Четвертая фаза. х31=хм, где Хз^^Дх^-^Дх,, Соударение т1 и т2 и

мгновенная потеря части начальной кинетической энергии (удар неупругий), при этом происходит «слипание» материальных точек, а их относительная скорость после удара равна нулю, а скорость и 1.2 центра масс Ш] + т2 отлична от нуля.

т,У, -т.У,,

и„= ' (21)

т,+т2

Гко^о-С. ■ ' РМ1=1-20+С2 ' (22)

После «слипания» т, и т2 действие электромагнитной силы можно не учитывать.

Р.^о+с.-ЕЛх,,, Р^^-с^Дх,,; (23)

АЦ= р2'"Г|1 (24)

Ш|+т2

(25)

Дх,=и,-Д1, (26)

Движение масс т,+т2, сцепленных электромагнитной силой Ре11 (т,+ш2)-х2=с2(^ -х2)-с,(г, -х,), (27)

с учетом того, что х,=а-х2-Ь,-Ь2

(т1+Ш2)-х2=с2(^2-х2)-с1[г1-(а-х2-Ь,-Ь2)], (28)

тогда

х2 + С'+С* + (29)

т, + т2 ш1 + ш2

Процесс практически заканчивается, когда х2,=х20, т.е. происходит удар тп, о бурпгик измерительной пики (волновода), тела займут исходное положение и остановятся.

Таким образом, математическая модель рабочего процесса датчика позволила определить взаимосвязь динамики элементов магнитопровода с его конструктивными параметрами. В результате было определено следующее:

1 Увеличение масс т, и т2 для одних и тех же скоростей разрыва магнитопровода приводит к увеличению амплитуды (Х2гаи-Х20 для массы ш2 и Х1гшк для массы т,) и периода виброудара Т, причем особое влияние оказывает изменение ш2.

2 С уменьшением жесткости пружины с2 пропорционально увеличиваются амплитуда колебания массы т2 (рис.4) - Х^ -Х2(1 и периода Т за счет увеличения времени ^ до соударения масс ш, и ш2. Изменение жесткости с, особого влияния на динамику процесса не оказывает, поскольку сама пружина с, обеспечивает лишь возвратное движение ш,.

3 Незначительное изменение силы взаимного магнитного притяжения Рс(| на движение тел т, и т2 влияния не окажет, но неоправданное ее увеличение, особенно для низких скоростей разрыва магнитопровода, снизит чувствительность датчика.

4 При неизменных конструктивных параметрах датчика увеличение скорости разрыва с 4 до 10 м/с увеличит амплитуду Х2тач-).20 с 6 до 28 мм, соударение масс ш, и т2 произойдет на 5 мс позже (1ЦУЫшс)=5,5 мс, 11(У„1Ои/с)=10,5 мс), а

период виброудара Т увеличится с 7,5 мс до 12 мс.

Вышеперечисленное необходимо учитывать при проектировании датчика скорости, поскольку увеличение амплитуды подвижных масс повлечет за собой увеличении габаритных размеров датчика или приведет к соударению витков пружины, что при определенных условиях повлечет за собой нарушение работоспособности датчика.

Необходимость знания закономерностей изменения периода виброудара Т возникла исходя из условия, что процесс виброудара должен быть мгновенно затухающим, чтобы не происходило наложения выходных сигналов датчика от двух последовательных ударов бойка по инструменту

Следовательно, период динамического процесса датчика должен быть короче, чем время между двумя ближайшими ударами бойка по рабочему инструменту.

Для точного решения системы уравнений математической модели необходимо применение численных методов с использованием ЭВМ.

С этой целью была разработана программа исследования работы ударного механизма датчика, реализованная в среде Delphi.

Основное окно программы (рис. 5) предназначено для задания начальных данных расчета. При нажатии кнопки «Рассчитать» производится проверка корректности ввода значений. В случае неверного задания программа указывает ошибку и предлагает ввести корректное значение того или иного поля. Когда все поля заполнены верно, инициируется выполнение алгоритма расчета на основе предложенной математической модели. Для каждой фазы производится расчет скоростей, сил и координат, соответствующих определенному моменту времени. Кроме численных значений предоставляются графики (рис. 6-9) зависимости координат, скоростей, сил от времени и силы электромагнитного притяжения от зазора, которые позволяют более наглядно отобразить динамику процесса.

Применение программы исследования работы ударного механизма датчика на основе математической модели, позволило создать методику расчетов для инженерного проектирования.

При проектировочных расчетах перед разработчиком стоит задача определить геометрические размеры датчика, соударяемые массы, а также с учетом условий прочности и динамики подвижных элементов подобрать параметры упругих элементов. В этом случае исходными данными для расчетов являются: технические данные объектов контроля, такие как частота ударов и энергия единичного удара, определяющая диапазон измерения датчика; габаритный размер инструмента, на который будет установлен датчик.

Z Прог(|*ммл шх ■■tjtitiHH» ,тхнм>нч>-< в их *jj»«i»tj»MCi»>« yjopHwr, и*ии«мл Mitumn

Рисунок 5 - Стартовое окно программы

Рисунок 6 - Окно результатов: график зависимости координат от времени

\ 1 j

: : .......Г\..........\....... : :

: : ! Ч

■-I-.--H 5 У

Рисунок 7 - Окно результатов: график зависимости скоростей от времени

■..............I.......i.......i...............\.................P-l-

г:.........

.........;......Г":................1..............:

Irl

Рисунок 8 - Окно результатов: график зависимости сил от времени

Рисунок 9 - Окно результатов: график зависимости силы электромагнитного притяжения от величины зазора

Проведя анализ объектов контроля, среди которых есть пневматические отбойные молотки, ручные трамбовки, рубильные молотки и т.д., ограничившись диапазоном скоростей удара У„ис =8 м/с , был осуществлен конструкторский расчет датчика ударной скорости, по результатом которого изготовили экспериментальный образец.

Создание нового датчика ударной скорости базируется на исследованиях, среди которых важную роль играют испытания моделей. Экспериментальные исследования по определению характеристик были проведены для датчика с постоянным магнитом, а их результаты отражены в третьей главе. Здесь описан стенд для экспериментального исследования датчиков ударной скорости и обоснованы его технические характеристики. Испытания датчика необходимо производить на вертикальном ударном стенде с использованием энергии удара падающего груза. Связь между предударной скоростью груза и высотой сбрасывания определяется как У=Л/2§Н , где §=9,8м/с2; Н - высота падения груза.

С помощью стенда была выполнена градуировка датчика и определены статические и динамические характеристики датчика скорости.

Проведенные экспериментальные исследования датчика скорости позволили выявить его основные характеристики и зависимости, такие как:

Диапазон измерений, м/с до 8

Статическая нелинейность, % менее5

Порог нечувствительности, м/с 1,4

Коэффициент преобразования, В-с/м 0,6

Сопротивление питающей катушки, Ом 9

Масса датчика с измерительной пикой, кг 2,5

Рисунок 10 - График зависимости скорости от времени

1«б/ ! \

У ! \ 12Г""""'|« 18 М 22 И 26 28 30 32 у, /б"

/ л !

г /

X I

N

и

У

Рисунок 11 - Относительная скорость движения

тел гп| и т2

Рисунок 12 - Оценка адекватности математической модели

19

Заключительным этапом экспериментальной части работы стало определение оепени сходимости результатов практических и теоретических исследований, позволяющее дать оценку адекватности математической модели.

С этой целью, для исследуемого датчика ударной скорости с постоянным магнитом было инициируемо выполнение алгоритма расчета на основе предложенной математической модели. В результате были получены численные расчеты и предоставлен график зависимости скорости от времени (рис.10). Для примера была взята скорость разрыва магнитопровода 3,7 м/с.

Далее графически была определена относительная скорость 1111 и т2 (рис. 11). Экспериментально была получена осциллограмма ударного импульса, также для скорости удара 3,7 м/с.

В результате наложения графика математической модели и осциллограммы получена практически их полная сходимость, причем погрешность составляет менее 5% (рис.12). Таким образом, аналитически полученные зависимости и С

правильность выбора математической модели подтвердились экспериментально.

Четвертая глава посвящена прикладным задачам контроля параметров удара. Оригинальность решения этих задач заключается в значительном расширении области использования датчика, благодаря чему возможно определение ударной составляющей измерительного усилия, а также контроль за состоянием процесса неразъемного гальванического соединения деталей с применением формирователя ударного импульса в электролите.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ, ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

ПО РАБОТЕ

В соответствии с поставленными задачами, основные результаты работы можно сформулировать следующим образом.

1. Систематизированы известные методы и средства контроля параметров г удара в машинах и механизмах ударного действия, выявлены их существенные недостатки, связанные с трудоемкостью выполнения измерений и их высокой стоимостью.

Исследования особенностей индукционного датчика позволили найти принципиально новое решение, благодаря которому было возможно создание измерительного устройства, в котором высокая мощность выходного сигнала первичного преобразователя достигается за счет совмещения времени удара с разрывом магнитопровода.

2. В ходе решения задачи синтеза конструкции датчика была разработана базовая конструкция, новизна которой защищена патентом.

На основе базовой конструкции предложен вариант накладного датчика ударной скорости, защищенный патентом, принципиальным отличием которого является, использование постоянного магнита в качестве источника магнитного поля; способ крепления датчика на испытуемом объекте, не зависящий от раз-

мера посадочной поверхности крепежного приспособления; конструкция корпуса с изолятором, защищающая датчик от попадания внутрь твердых частиц, приводящих к заклиниванию подвижных элементов.

3. Разработана математическая модель рабочего процесса датчика ударной скорости и создан на ее основе алгоритм исследования работы ударного механизма на ЭВМ. Установлена взаимосвязь конструктивных параметров датчика с его техническими характеристиками.

4. Предложена инженерная методика расчета параметров датчика скорости (геометрических размеров, соударяемых масс, параметров упругих элементов), исходя из технических данных объекта контроля (частоты удара, энергии единичного удара, габаритных размеров инструмента), которая внедрена в ОАО «Научно-производственное предприятие «Эталон».

5. Изготовлен, испытан и внедрен в производство датчик измерения скорости взаимодействия тел непосредственно в момент удара.

6. Аналитически полученные зависимости и правильность выбора математической модели подтвердились экспериментально.

Основные результаты, полученные в диссертации, отражены в публикациях:

1. Пастухова Е.И. Анализ точности расчета контактных напряжений и допустимых измерительных усилий для управляющих приборов контроля / Современные тенденции развития автомобилестроения в России: Сб. трудов всероссийской науч.-техн. конф. с междунар. участием /Тольяттинский гос. ун-т. Тольятти, 2004. Том 4. С.86-91.

2. Пастухова Е.И. Определение составляющих измерительного усилия управляющих приборов контроля// Теплофизические и технологические аспекты управления качеством в машиностроении: Сб. трудов всерос. с межд. уч. науч.-техн. конф., 18-20 мая 2005 г. Вып.5. - Тольятти: ТГУ, 2005. - С.56 - 58.

3. Пастухова Е.И. Повышение качества продукции машиностроения на основе тотального метрологического обеспечения всех стадий жизненного цикла продукции // Межвузовский сборник трудов молодых ученых, аспирантов и студентов. - Омск: СибАДИ, 2004. - Вып.1, ч.1. С.245-248.

4. Пастухова Е.И., Леун В.И. Характеристика полного измерительного усилия управляющих приборов контроля для инструментального производства // Анализ и синтез механических систем: Сб. науч. трудов/ Под ред. В.В. Ев-стифеева. - Омск: Изд-во ОмГТУ, 2004. - С. 264 - 267.

5. Пастухова Е.И., Стахановский Б.Н. Определение метрологических характеристик индукционного датчика скорости // Динамика систем, механизмов и машин: Материалы V Международной научно - технической конференции. -Омск: ОмГТУ, 2004. - Книга 1. - С. 456 - 458.

6. Пастухова Е.И., Стихановский Б.Н. Статические силы измерительных наконечников приборов контроля // Современные тенденции развития автомобилестроения в России: Сб. трудов всероссийской науч.-техн. конф. с между-нар. участием /Тольяттинский гос. ун-т. Тольятти, 2004. Том 3. С.218-223.

7. Пастухова Е.И., Стихановский Б.Н., Стахановская Л.М. Датчик для определения энергии удара// Теплофизические и технологические аспекты управления качеством в машиностроении: Сб. трудов всерос. с межд. уч. науч.-техн. конф., 18-20 мая 2005 г. Вып.5. - Тольятти : ТГУ, 2005. - С.58 - 59.

8. Патент №46580 (1Ш) МПК 001М7/00. Устройство для неразъемного соединения деталей/ Стихановский Б.Н. (1Ш), Пастухова Е.И. (1Ш). -№2005105606/22; Заявлено 28.02.2005; Опубл. 10.07.2005. Бюл. №19.

9. Патент № 46104 (ГШ) МПК в 01 Р 3/50. Датчик ударной скорости машин / Стихановский Б.Н. (Яи), Пастухова Е.И. (1Ш). - № 2004137414/22; Заявлено 21.12.2004; Опубл. 10.06.2005. Бюл. №16.

10. Патент № 45192 (Яи) МПК в 01 Р 3/50. Датчик ударной скорости машин / Стихановский Б.Н. (1*11), Пастухова Е.И. (1Ш). - № 2004132457/22; Заявлено 09.11.2004; Опубл. 27.04.2005. Бюл. №12.

11. Стихановский Б.Н., Пастухова Е.И. Датчик для определения ударной скорости машин// Теплофизические и технологические аспекты управления качеством в машиностроении: Сб. трудов всерос. с межд. уч. науч.-техн. конф., 18-20 мая 2005 г. Вып.5. - Тольятти : ТГУ, 2005. - С.78 - 80.

12. Стихановский Б.Н., Пастухова Е.И. Определение динамической составляющей полного измерительного усилия управляющих приборов контроля // Современные тенденции развития автомобилестроения в России: Сб. трудов всероссийской науч.-техн. конф. с междунар. участием /Тольяттинский гос. унт. Тольятти, 2004. Том 3. С.216-217.

13. Стихановский Б.Н., Пастухова Е.И. Определение измерительного усилия при статических напряжениях между измерительным наконечником и объектом контроля // Проблемы динамики и прочности исполнительных механизмов и машин (2004, сентябрь): Тезисы науч. конф./ Астрахан. гос. техн. ун-т -Астрахань: Изд-во АГТУ, 2004. - С.99-100.

14. Стихановский Б.Н., Пастухова Е.И. Устройство для измерения энергии удара молотов // Сб. трудов междунар. научно-техн. конф. «Дорожно-транспортный комплекс, как основа рационального природопользования», 23 -25 ноября 2004г. Омск: Изд-во СибАДИ.

15. Свидетельство об отраслевой регистрации разработки № 4628. Программа исследования работы ударного механизма датчика/ Ефимова О.С., Пастухова Е.И., Стихановский Б.Н. - №50200500530; Зарегистрировано в «Национальном информационном фонде неопубликованных документов» 22.04.2005.

Отпечатано с оригинала-макета, предоставленного автором

ИД № 06039 от 12.10.2001

Подписано к печати 21.11.2005. Бумага офсетная. Формат 60x84 1/16 Отпечатано на дупликаторе. Усл. печ. л. 1,5. Уч.-изд. л. 1,5. Тираж 100 экз. Заказ 761.

Издательство ОмГТУ. 644050, г. Омск, пр. Мира, 11 Типография ОмГТУ

i

№25218

РНБ Русский фонд

2006-4 28235

!

I

I

ВВЕДЕНИЕ.

1 ОБОСНОВАНИЕ ЦЕЛЕСООБРАЗНОСТИ РАЗРАБОТКИ БАЗОВОЙ КОНСТРУКЦИИ ДАТЧИКА УДАРНОЙ СКОРОСТИ.

1.1 Применение средств измерения параметров удара твердых тел в различных отраслях науки и техники.

1.2 Анализ способов и средств измерения параметров удара. .*.

1.3 Цель и задачи исследований.

1.4 Выводы по главе.

2 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ РАБОТЫ ДАТЧИКА УДАРНОЙ СКОРОСТИ.

2.1 Обоснование базовой конструктивной схемы датчика.

2.2 Математическая модель рабочего процесса датчика ударной скорости.

2.3 Методика расчетов при проектировании упругих элементов датчика.

2.4 Пример конструкторского расчета датчика ударной скорости.

2.5 Выводы по главе.

3 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ДАТЧИКОВ УДАРНОЙ СКОРОСТИ.

3.1 Стенд для исследования датчиков ударной скорости.

3.2 Результаты экспериментальных исследований датчика и оценка адекватности математической модели.

3.3 Выводы по главе.

4 ПРИКЛАДНЫЕ ЗАДАЧИ КОНТРОЛЯ С ПРИМЕНЕНИЕМ ДАТЧИКА <► СКОРОСТИ.

4.1 Определение ударной составляющей измерительного усилия управляющих приборов контроля.

4.1.1 Характеристика полного измерительного усилия управляющих приборов контроля.

4.1.2 Определение динамической составляющей измерительного усилия.

4.1.3 Анализ точности расчета контактных напряжений и допусти-^ мых измерительных усилий для управляющих приборов контроля.

4.2 Контроль параметров ударного импульса в электролите.

4.3 Выводы по главе.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ, ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ ПО

РАБОТЕ.

Одной из актуальных проблем современной техники является измерение параметров ударов.

Сегодня нельзя назвать практически ни одного объекта контроля или производственного процесса, который не испытывал бы воздействия ударных нагрузок - штамповка, ковка, дыропробивные работы, испытание на динамические перегрузки, выполнение работ в экстремальных условиях по разбивке и расчистке обвалов строительных и горных выработок, ликвидация последствий пожаров, землетрясений и других проявлений стихийных бедствий. Практически для большинства изделий гражданского и военного назначения необходимо предусмотреть возможные ударные воздействия, возникающие при транспортировке и эксплуатации [68].

За предыдущие годы в мировой практике разработано значительное количество ударных механизмов с энергией удара от 2 Дж до 150 КДж и частотой от 30 до 3000 ударов в минуту, предназначенных для выполнения различных технологических операций [16, 51].

Применение ударных механизмов позволяет в значительной мере повысить производительность выполняемых работ, связанных с разрушением мерзлого грунта, оснований, фундаментов, асфальтобетонных покрытий и т.д.

В последнее время в строительстве значительно увеличился объем работ, выполняемых с применением отбойных молотков и пневматических бетоноло-мов. Это обусловлено ростом количества аварийных и ремонтно-восстановительных работ, которые характеризуются небольшими объемами и значительной рассредоточенностью объектов, что вызывает необходимость использования мобильных, высокоманевренных и относительно недорогих ударных механизмов.

Широкое применение машин и механизмов ударного действия (механических, электрических, пневматических, электрогидравлических, электромеханических, электромагнитных) в строительном и горном деле, при динамических испытаниях и других отраслях народного хозяйства обусловило необходимость контроля параметров удара - энергии, скорости тел до и после удара, к.п.д. передачи энергии, ускорения, коэффициентов отскока и восстановления [66].

К средствам контроля предъявляются высокие требования по производительности и достоверности, надежности, простоте изготовления и эксплуатации, а также, что очень важно в условиях массового производства контролируемых изделий, по стоимости.

Снижение стоимости производимых измерений и выбор оптимального соотношения между точностью, производительностью и стоимостью измерений относятся к первоочередным задачам контроля параметров удара в машинах и механизмах ударного действия, требующим решения.

Вопросам создания и исследования методов и средств контроля параметров удара посвящены работы И.В. Андреева, Г.С. Батуева, Н.А. Башкирова, В.К. Вороненко, К.С. Гуркова, С.И. Доброборского, Н.В. Захаровой, В.Г. Ко-раблева, А.Д. Костылева, В.З. Клейменова, А.А. Осокина, В.Е. Павлова, B.C. Пеллинец, А.А. Перьева, Н.П. Потапова, Б.С. Ротнера, Б.Н. Стахановского и др. исследователей, проводимые в ИГД СО РАН (г. Новосибирск), ИГД им. А.А.Скочинского (г. Москва), ВНИИСтройдормаше (г. Москва), институте гидродинамики им. М.А. Лаврентьева СО РАН (г.Новосибирск), МВТУ им. Н.Э. Баумана (г. Москва), ОмГТУ (г. Омск), а также за рубежом [1-13, 16, 22, 37, 46, 51,70].

В последние годы вопросы совершенствования методов и средств измерения параметров удара рассматривались на научно-технических конференциях и семинарах «Проблемы динамики и прочности исполнительных механизмов и машин» (г.Астрахань, 2004); «Динамика систем, механизмов и машин» (г.Омск, 2004); «Современные тенденции развития автомобилестроения в России» г.Тольятти, 2004); «Дорожно - транспортный комплекс как основа рационального природопользования» (г.Омск, 2004); «Теплофизические и технологические аспекты управления качеством в машиностроении» (г.Тольятти,2005).

Имеющиеся в настоящее время в распоряжении разработчиков, изготовителей и эксплуатационников средства контроля не удовлетворяют их в полной мере. Для существующих методов и средств контроля параметров удара характерно либо применение неудобных для серийных измерений приемов, либо проведение точных измерений, но за счет привлечения многоэлементной базы и сложной аппаратуры, либо выполнение в лабораторных условиях с продолжительным временем обработки данных, либо простота применения, но невысокая точность результатов [22].

Цель работы и задачи исследований. Цель работы заключается в совершенствовании и развитии средств измерения параметров удара.

Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих задач:

1 Осуществить анализ и синтез конструкции датчика ударной скорости.

2 Разработать математическую модель рабочего процесса предложенного датчика ударной скорости, учитывающую взаимосвязь динамики элементов магнитопровода с конструктивными параметрами датчика.

3 На основе анализа известных конструкций датчиков ударной скорости, используя теоретические основы механики, электротехники и теории удара, создать измерительное устройство, лишенное недостатков известных образцов.

4 Предложить инженерную методику расчета при проектировании элементов датчика ударной скорости.

Методы исследований выбирались исходя из постановок решаемых задач. Основные результаты диссертационной работы получены на базе фундаментальных законов и уравнений механики, электродинамики и теории удара. Поиск количественных соотношений между исследуемыми параметрами осуществлялся с помощью аналитических методов математического анализа. При создании модели для анализа динамических процессов использовались методы математического моделирования и численные методы решения дифференциальных уравнений, в том числе с использованием ЭВМ. С целью проверки эффективности разработанных образцов датчика ударной скорости применены методы активного эксперимента на специальных лабораторных стендах и в производственных условиях.

Научная новизна диссертационной работы обусловлена следующими положениями:

1 Создана математическая модель рабочего процесса датчика ударной скорости для базовой конструкции и ее вариантов, учитывающая взаимосвязь динамических свойств элементов магнитопровода с конструктивными параметрами датчика и механическими свойствами материала элементов.

2 Разработан алгоритм исследования работы ударного механизма датчика на ЭВМ.

3 На основе современной теории упругопластического удара установлены оптимальные скорости соударения витков упругих элементов датчика, применительно к пружинам различных габаритов и скоростям разрыва магнитопровода, которые в свою очередь определяют диапазон измерения датчика.

4 Проведен анализ точности расчета контактных напряжений и допустимых измерительных усилий в управляющих приборах контроля и даны рекомендации по использованию датчика ударной скорости для приборов активного контроля с целью определения динамической составляющей полного измерительного усилия.

5 Разработано устройство для неразъемного соединения деталей с применением формирователя ударного импульса в электролите, в измерительной системе которого используется датчик ударной скорости.

Практическая ценность и реализация результатов работы заключается в следующем:

- обоснованы и разработаны конструкции датчиков ударной скорости, обладающие высокими мощностью выходного сигнала и качеством по показателям точности, ударозащищенностью и простотой конструкции, два из которых защищены патентами;

- создана программа для решения на ЭВМ задач динамики и выбора основных параметров датчика ударной скорости, зарегистрированная в фонде алгоритмов и программ;

- разработана инженерная методика расчета элементов датчика скорости удара, внедренная в ОАО «Научно-производственное предприятие «Эталон»;

- изготовлены и исследованы экспериментальные образцы датчика ударной скорости;

- действующий образец датчика ударной скорости используется в учебном процессе, как наглядное пособие по разделу «Индукционные датчики» курса «Измерение механических величин», а компьютерная программа и методика расчета упругих элементов может быть применена при выполнении лабораторной работы «Испытание витых цилиндрических пружин растяжения и сжатия» по курсу дисциплины «Детали машин и основы конструирования» в технических вузах;

- разработано и защищено патентом устройство для неразъемного соединения деталей с применением формирователя ударного импульса в электролите.

Достоверность основных теоретических положений подтверждается корректным применением соответствующего математического аппарата при выводе основополагающих зависимостей и анализе полученных выражений; теоретическими расчетами, согласующимися с результатами других авторов; проверенными математическим моделированием и экспериментальными исследованиями; апробацией результатов работы перед научной общественностью; удовлетворительным согласованием расчетных и экспериментально определенных параметров и характеристик. Основой оценки достоверности полученных результатов явились экспериментальные работы по определению технических характеристик датчика.

На защиту выносятся следующие основные положения, каждое из которых обладает новизной, имеет научную и практическую ценность и направлены на решение поставленных задач:

- математическая и конструктивная модели датчика ударной скорости;

- методика расчета при проектировании элементов датчика для различных скоростей разрыва магнитопровода;

- результаты теоретических и экспериментальных исследований, подтверждающие эффективность и достоверность проведенных научных исследований.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы и ее отдельные результаты докладывались, обсуждались и получили одобрение на II научной конференции «Проблемы динамики и прочности исполнительных механизмов и машин» (г.Астрахань, 2004); V международной научно - технической конференции «Динамика систем, механизмов и машин» (г.Омск, 2004); всероссийской научно - технической конференции с международным участием, посвященной 30-летию кафедр «Автомобили и тракторы» и «Тепловые двигатели» «Современные тенденции развития автомобилестроения в России» (г.Тольятти, 2004); международной научно - технической конференции «До-рожно - транспортный комплекс как основа рационального природопользования», посвященной 100-летию со дня рождения доктора технических наук, профессора К.А.Артемьева (г.Омск, 2004); всероссийской научно - технической конференции с международным участием «Теплофизические и технологические аспекты управления качеством в машиностроении», посвященной 90-летию со дня рождения А.Н.Резникова (г.Тольятти, 2005).

Публикации. Основные результаты теоретических и экспериментальных исследований отражены в 15 печатных работах, в числе которых 3 патента на полезную модель и 1 программа, зарегистрированная в фонде алгоритмов и программ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка и приложений. В целом работа содержит 194 страницы, 59 рисунков, И таблиц, библиографический список из 78 наименований и приложения на 32 страницах.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ, ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ ПО РАБОТЕ

В соответствии с поставленными задачами, основные результаты работы можно сформулировать следующим образом.

1 Систематизированы известные методы и средства контроля параметров удара в машинах и механизмах ударного действия, выявлены их существенные недостатки, связанные с трудоемкостью выполнения измерений и их высокой стоимостью.

Исследования особенностей индукционного датчика позволили найти принципиально новое решение, благодаря которому было возможно создание измерительного устройства, в котором высокая мощность выходного сигнала первичного преобразователя достигается за счет совмещения времени удара с разрывом магнитопровода.

2 В ходе решения задачи синтеза конструкции датчика была разработана базовая конструкция, новизна которой защищена патентом.

На основе базовой конструкции предложен вариант накладного датчика ударной скорости, защищенный патентом, принципиальным отличием которого является: использование постоянного магнита в качестве источника магнитного поля; способ крепления датчика на испытуемом объекте, не зависящий от размера посадочной поверхности крепежного приспособления; конструкция корпуса с изолятором, защищающая датчик от попадания внутрь твердых частиц, приводящих к заклиниванию подвижных элементов.

3 Разработана математическая модель рабочего процесса датчика ударной скорости и создан на ее основе алгоритм исследования работы ударного механизма на ЭВМ. Установлена взаимосвязь конструктивных параметров датчика с его техническими характеристиками.

4 Предложена инженерная методика расчета параметров датчика скорости (геометрических размеров, соударяемых масс, параметров упругих элементов), исходя из технических данных объекта контроля (частоты удара, энергии единичного удара, габаритных размеров инструмента), которая внедрена в ОАО «Научно-производственное предприятие «Эталон».

5 Изготовлен, испытан и внедрен в производство датчик измерения скорости взаимодействия тел непосредственно в момент удара.

6 Аналитически полученные зависимости и правильность выбора математической модели подтвердились экспериментально.

1. А. с. 1277062 (СССР). Устройство для измерения параметров удара./ Перьев А.А. Опубл. в Б.И., 1987, №46.

2. А.с. 1191844 (СССР). Устройство для измерения параметров импульсов периодического электрического сигнала/ Тимошенко Е.М., Перьев А.А, Андреев И.В, Куликов И.Ф. Опубл. в Б.И., 1985, №42.

3. А.с. 1249464 (СССР). Устройство для измерения скорости движения бойка ударной машины/ Перьев А.А., Куликов И.Ф., Андреев И.В. Опубл. в Б.И., 1986, №29.

4. А.с. 1262386 СССР. Устройство для измерения предударной скорости бойка ударника рабочего инструмента / Тимошенко Е.М., Перьев А.А., Осокин В.М., Борисов К.А. Опубл. в Б.И., 1986. - №37.

5. А.с. 1262387 СССР. Устройство для определения предударной скорости бойка / Тимошенко Е.М., Куликов И.Ф., Андреев И.В., Осокин А.Л., Перьев

6. A.А. Опубл. в Б.И., 1986. -№37.

7. А.с. 1425552 (СССР). Устройство для измерения энергии удара бойка/ Перьев А.А., Куликов И.Ф., Тимошенко Е.М., Осокин А.Л. Опубл. в Б.И., 1988, №35.

8. А.с. 1485154 (СССР). Устройство для измерения параметров ударного колебательного процесса/Изотов В.О. и др. Опубл. в Б.И., 1989, №21.

9. А.с. 1580186 (СССР). Устройство для измерения энергии удара / Устинов

10. B.В. Опубл. в Б.И., 1990, №27.

11. А.с. 1610322 (СССР). Способ определения энергии удара машин ударного действия и устройство для его осуществления/ Щербаков В.А. и др. Опубл. в Б.И., 1990, №44.

12. А.с. 1663458 (СССР). Устройство для измерения энергии удара/ Перьев А.А. и др. Опубл. в Б.И., 1991, №26.

13. А.с. 1677556 (СССР). Стенд для ударных испытаний изделий/ Стахановский Б.Н., Стахановская JI.M., Захарова Н.В. Опубл. в Б.И., 1992, №32.

14. А.с. 622009 СССР. Индукционный датчик ударной скорости машин / Потапов Н.П., Костылев А.Д., Гурков К.С. Опубл. в Б.И., 1987. - №32.

15. А.с. 81662 СССР. Стенд для измерения параметров пневматических молотов / Доброборский С.И. Опубл. в Б.И., 1978. - №32.

16. Бриндли К. Измерительные преобразователи: Справочное пособие: Пер. с англ. М.: Энергоатомиздат, 1991. - 144с.

17. Варнелло В.В. Измерение твердости металлов. М.: Изд-во государственного комитета стандартов, мер и измерительных приборов СССР, 1965.- 194 с.

18. Васильев В.М. Перфораторы: Справочник. — М.: Недра, 1989. 216с.

19. Волосов С.С. Основы точности активного контроля размеров. М. Машиностроение, 1969.-356с.

20. Волосов С.С., Педь Е.И. Приборы для автоматического контроля в машиностроении: Учебное пособие для вузов. 2-е изд. - М.: Издательство стандартов, 1975. - 336с.

21. Гольдсмит. Удар, теория и физические свойства соударяющихся тел. -М.: Стройиздат, 1965. 448с.

22. ГОСТ 8517 90 Приборы управляющие при шлифовании. Общие технические условия. — М.: Изд-во стандартов, 1990. - 9с.

23. Дайчик M.JI. и др. Методы и средства натурной тензометрии: Справочник / M.JI. Дайчик, Н.И. Пригоровский, Г.Х.Хуршудов. М.: Машиностроение, 1989.-240с.

24. Захарова Н.В. Разработка датчика скорости в приборах контроля параметров удара машин и механизмов ударного действия: Диссертация канд. техн. наук. Омск , 1996. - 164с.

25. Келин Н.А., Кудрявцев В.К. Методы и устройства для контроля магнитных свойств постоянных магнитов. М.: Энергоатомиздат, 1984. - 80с., ил.

26. Кондашевский В.В., Лотце В. Активный контроль размеров деталей на металлорежущих станках. Омск: Зап.-Сиб. кн. изд-во. Омск, отд-ние, 1976. -431с.

27. Коротков В.П., Тайц Б.А. Основы метрологии и теории точности измерительных устройств. М.: Издательство стандартов, 1978. - 352с.

28. Ландау Л.Л., Лифшиц Е.М. Механика. Электродинамика. — М.: Наука, 1969.-271с.

29. Ландау Л.Л., Лифшиц Е.М. Теория упругости. М.: Наука, 1965. - 204 с.

30. Леун В.И. Основы проектирования элементов измерительных устройств управляющих приборов для контроля линейных размеров изделий прецизионного машиностроения: Учебное пособие. Омск: Изд-во ОмПИ, 1990.-70с.

31. Леун В.И. Разработка технических условий к средствам автоматического контроля для прецизионных изделий: Учеб. пособие. Омск: Изд-во ОмГТУ, 1995.-67с.

32. Леун В.И. Устройства автоматического контроля размеров с гидравлическими преобразователями: Учебное пособие. Изд. ОмПИ. - Омск, 1979.-46 с.

33. Марков Н.Н. и др. Погрешность и выбор средств при линейных измерениях / Н.Н. Марков, Г.Б. Кайнер, П. А. Сацердотов. М.: Машиностроение, 1967. - 392с.

34. Нейман В.Ю.Основы построения и развития теории импульсных линейных электромагнитных двигателей с повышенными энергетическими показателями: Автореферат д-ра техн. наук. Новосибирск, 2004. - 34 с.

35. Обработка металлов резанием: Справочник технолога / А.А. Панов, В.В. Аникин, Н.Г. Бойм и др.; под общ. ред. А.А. Панова. М.: Машиностроение, 1988.-736 с.

36. Орлов П.И. Основы конструирования: Справочно-методическое пособие: В 2 кн. / Под ред. П.Н. Усачева. 3-е изд. - М.: Машиностроение, 1988. - Кн.2. -560с.

37. Павлов В.Е. и др. Измерение энергии удара электромагнитных молотов // Импульсные линейные электрические машины. Новосибирск, 1991. - С. 8791.

38. Пановко Я.Г. Основы прикладной теории колебаний и удара. Изд. 3-е, доп. и переработ. Л.: Машиностроение (Ленингр. отд-ние), 1976. - 320 с.

39. Пастухова Е.И., Стахановский Б.Н. Определение метрологических характеристик индукционного датчика скорости // Динамика систем, механизмов и машин: Материалы V Международной научно технической конференции. - Омск: ОмГТУ, 2004. - Книга 1. - С. 456 - 458

40. Патент № 2110072 Кл. 6 G 01 Р 3/12 Индукционный датчик ударной скорости машин / Стихановский Б.Н. (RU). Бюл. № 12 от 27.04.98., - 3 е.: ил. 1.

41. Патент №46580 (RU) МПК G01M7/00. Устройство для неразъемного соединения деталей/ Стихановский Б.Н. (RU), Пастухова Е.И. (RU). -№2005105606/22; Заявлено 28.02.2005; Опубл. 10.07.2005. Бюл. №19.

42. Патент № 46104 (RU) МПК G 01 Р 3/50. Датчик ударной скорости машин / Стахановский Б.Н. (RU), Пастухова Е.И. (RU). № 2004137414/22; Заявлено 21.12.2004; Опубл. 10.06.2005. Бюл. №16.

43. Патент № 45192 (RU) МПК G 01 Р 3/50. Датчик ударной скорости машин / Стахановский Б.Н. (RU), Пастухова Е.И. (RU). № 2004132457/22; Заявлено 09.11.2004; Опубл. 27.04.2005. Бюл. №12.

44. Пинегин С.В. Контактная прочность и сопротивление качению. М., Машиностроение, 1969.-243с.

45. Пневматические ручные машины: Справочник / Г.И. Кусницын, С.Б. Зеленецкий, С.И. Доброборский и др. М.: Машиностроение, 1968. - 376с.

46. Постоянные магниты: Справочник/ Альтман А.Б., Герберг А.Н., Гладышев П.А. и др.; под ред. Ю.М.Пятина. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Энергия, 1980. - 488с., ил.

47. Приборы автоматического управления обработкой на металлорежущих станках / А.В.Высоцкий, И.Б.Карпович, М.П.Соболев, М.И.Этингоф. М.: Машиностроение, 1995. —328с.

48. Сопротивление материалов / Под ред. акад. АН УССР Писаренко Г.С. — 5-е изд., перераб. и доп. К.: Вища шк. Головное изд-во, 1986. - 775 с .

49. Справочник технолога-машиностроителя. В 2-х т. / Под ред. А.Г.Косиловой и Р.К.Мещерякова. 4-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1985. — Т 2.

50. Справочное пособие по сопротивлению материалов. Под общ. ред. М.Н. Рудицына. Минск: Вышейш. школа, 1970. - 630 с.

51. Стахановский Б.Н. Исследование процессов соударения и создание машин, стендов и устройств ударного действия: Диссертация д-ра техн. наук. -Новосибирск, Фрунзе, 1981.-457с.

52. Стахановский Б.Н. Механика удара: Учебное пособие. Омск: Изд-во ОмГТУ, 2002. - 200 с.

53. Стихановский Б.Н., Дидковская И.Л. Испытание датчика для определения ударной скорости // Журнал «Омский научный вестник», вып. 11 Омск: ОмГТУ, июнь, 2000, -с. 81-82

54. Стихановский Б.Н., Пастухова Е.И. Устройство для измерения энергии удара молотов // Сб. трудов междунар. научно-техн. конф. «Дорожнотранспортный комплекс, как основа рационального природопользования», 23 -25 ноября 2004г. Омск: Изд-во СибАДИ.

55. Стахановский Б.Н., Стахановская JI.M. Метрологический анализ датчиков ударной скорости // Сб. докладов Российско-Геманской конф. «Датчики и системы», т.З, С.-Петербург: СПбГПУ, 24-27 июня 2002 с. 14-16

56. Стахановский Б.Н., Стахановская JI.M. Механизмы для испытаний на ударные перегрузки // Сб. докл. «Проблемы динамики и прочности исполнительных механизмов и машин» Материалы научн. конф. Астрахань: АГТУ, 2002 с. 60-63

57. Стахановский Б.Н., Стихановская JI.M. Экспериментальные исследования датчиков ударной скорости // Сб. материалов 13 научно-техн. конф. Датчики и преобразователи информации систем измерения, «Датчики 2001», М: МГИЭМ, 2001 с. 289-290

58. Таборкин Г.Я. Динамика взаимодействия соударяемых тел: Издание второе, дополненное. М.: Издательство МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2003. - 380 с.

59. Тарг С.М. Краткий курс теоретической механики. М.: Гос. изд-во физ. -мат. лит-ры, 1961.-400 с.

60. Технология металлов / Б.В. Кнорозов, Л.Ф. Усова, А.В. Третьяков, И.А. Арутюнова, С.П. Шабашов, В.К.Ефремов. М.: Металлургия, 1974. - 648 с.

61. Трение, изнашивание и смазка: Справочник: В 2 кн. / Под ред. И.В.Крагельского, В.В.Алисина. М.: Машиностроение, 1978. - Кн.1. - 400с.

62. Электрические измерения неэлектрических величин / А.М.Туричин, В.П.Новицкий, Е.С.Левшина и др.; под ред. П.В.Новицкого. -5-е изд., перераб. и доп. Л.: Энергия, 1975. — 576с.

63. Alloca J.A. Transducers, Theory and Application. Reston, 1993.

64. Sydenham P. Transducers in Measurement and Control. The University of New England Publishing Unit. Australia, 1985.

65. Usher MJ. Sensor and Transducers. Macmillan, 1995.

66. Warring R.H., Gibilisco S. Fundamentals of Transducers. Tab Books, 1995.