Experimental method for determination of systematic errors of power characteristics measurement of working organs of tillage tools

Abstract

The method for determination of systematic errors during dynamometry of different working organs of tillage tools is proposed.

Full Text

УДК 631.314 ТСМ № 11-2014 Экспериментальный метод определения систематических погрешностей измерения силовых характеристик рабочих органов почвообрабатывающих орудий Д-р техн. наук В.И. Мяленко (Кемеровский ГСХИ, library@ksai.ru) Аннотация. Предложен метод определения систематических погрешностей при динамометрировании различных рабочих органов почвообрабатывающих орудий. Ключевые слова: систематическая погрешность измерения, динамометрирование, силы, моменты сил, тензодатчик сопротивления. Разработка новых и совершенствование уже существующих конструкций сельхозмашин неразрывно связаны с процессами технического поиска и предварительными инженерными расчетами. Технические расчеты и обоснование новых решений в большинстве своем не обходятся без анализа реальных нагрузок, возникающих в эксплуатационной практике. Так, зачастую для выбора размеров, сечений и форм элементов конструкции почвообрабатывающего орудия необходимо экспериментальным путем определить величины и моменты сил, действующих на орудие со стороны почвы. А именно силовые характеристики, действующие со стороны почвы на корпуса плугов, сошники сеялок, лапы культиваторов и глубокорыхлителей в процессе выполнения технологических операций. Достоверность экспериментальных данных и исключение погрешностей измерения снижают риск ошибок и неточностей последующих технических обоснований. Систематические погрешности измерений, как известно, не влияют на значение случайных отклонений результатов наблюдений от среднеарифметических, поэтому математическая обработка результатов наблюдений не может привести к их обнаружению [1]. Систематическая погрешность измерения - детерминированная величина, напрямую зависящая от конструкционных особенностей измерительных устройств и способов проведения измерения. Предлагаемый метод выявления систематических погрешностей измерения основан на предварительной имитации ожидаемых нагрузок заранее известными силами, т.е. заключается в специальной поверке, когда измеряемые величины заранее известны. Метод реализуется следующим образом. Измерительные устройства приводятся в готовность к измерению силового нагружения, затем вместо реальной почвенной среды имитируется нагружение известными силовыми эквивалентами. После этого результаты измерений сравнивают с известными силовыми эквивалентами. Полученные по итогам сравнения данные позволяют установить совокупную систематическую погрешность. В общем случае систематические погрешности измерения могут зависеть от наличия зазоров и трения в сочленениях механизмов измерительных установок, использования электрических приборов или проведения последующих преобразований первичных данных измерения, т.е. от индивидуальных особенностей той или иной измерительной установки. Установки, применяемые в эксплуатационной практике при исследованиях рабочих органов почвообрабатывающих орудий, делятся на три вида исходя из изначальных задач: установки для линейного, плоскостного и объемного динамометрирования. Определение систематических погрешностей измерения в каждом из этих трех случаев имеет свои особенности. При линейном динамометрировании определяется только тяговая составляющая внешнего сопротивления. В этом случае выявление систематических погрешностей измерения не представляет трудности, так как можно использовать эталонный динамометр и сопоставить его результаты с данными рабочего динамометра. Для проведения плоскостного динамометрирования рабочих органов почвообрабатывающих орудий применяют отдельные измерительные звенья, присоединяемые к испытываемому рабочему органу. Наиболее часто используемые в установках для плоскостного динамометрирования схемы показаны на рис. 1. Стойки рабочего органа 1 присоединены посредством измерительных звеньев 2 к остову почвообрабатывающего орудия 3. Измерительные звенья либо соединены шарнирно (рис. 1, г), либо упираются в грани стойки (рис. 1, в), либо имеют наклеенные на стойку рабочего органа тензодатчики сопротивления 4 (рис. 1, б) [а.с. СССР № 813164]. На рис. 1, а в отдельных осях координат показаны направления усилий в силоизмерительных звеньях по схеме рис. 1, в. Все измерительные звенья предварительно тарируются на соответствующий вид деформации с использованием разрывных машины типа УММ-50 (ГОСТ 7855-84). Условно можно считать, что сами звенья не допускают значительных систематических погрешностей измерения после их индивидуальных поверок. Экспериментальное определение систематических ошибок измерения для установок плоскостного динамометрирования заключается в следующем. К стойке с рабочим органом прикладывается имитационная сила R в точке n с заранее известными координатами x0, y0. Эта имитационная сила нагружает измерительные звенья, где возникают адекватные реакции Pb, Pc и Pd. На рис. 1, a показано расположение имитационной силы R(x0, y0) и реакции нагружения измерительных звеньев Pb (x1, y1), Pc (x2, y2) и Pd (x3, y3) применительно к схеме рис. 1, в. Далее измеренные силы Pb, Pc и Pd приводятся к точке n, где ранее был приложен силовой эквивалент R, и определяются суммарные проекции сил и моментов сил: . (1) Таким образом, найдена адекватная реакция измерительных звеньев на действие силового эквивалента. Удобно в дальнейшем использовать проекции силового эквивалента Rx, Ry, Rz . Остается сравнить силовой эквивалент R или его проекции с суммарными реакциями измерительных звеньев и установить величину систематической погрешности измерения: Px ≡ Rx ; Py ≡ Ry ; mo ≡ Mo . (2) В данном случае имитационный момент не задавался, Mo = 0, поэтому любая полученная величина mo≠0 характеризует систематическую погрешность. Практика проведения объемного динамометрирования также выявила несколько принципиальных схем установок для экспериментальной работы. На рис. 2 изображены схемы таких устройств, где стойки рабочего органа 1 присоединены посредством измерительных звеньев 2 к остову почвообрабатывающего орудия 3. На рис. 2, а показана установка с тонким упругим кольцом 5, охватывающим стойку рабочего органа и неподвижно закрепленным на нем, при этом на кольце располагаются тетродатчики сопротивления 6 [а.с. СССР № 1744527]. На рис. 2, б представлена рычажная схема соединения измерительных звеньев со стойкой [пат. РФ № 2498245], на рис. 2, в в координатных осях показаны направления усилий в силоизмерительных звеньях по схеме рис. 2, б. Методика выявления систематической погрешности измерения при объемном динамометрировании по принципу аналогична описанной выше. Отличие заключается в том, что кроме имитационной силы R дополнительно задается имитационный момент M. Возникающие в силоизмерительных элементах усилия P1, P2, P3, P4, P5, P6 также приводятся к точке n, где ранее прикладывались силовые эквиваленты R и M (см. рис. 2, а, в). Следовательно, в результате приведения усилий силоизмерительных звеньев получаются проекции некоторого главного вектора F и главного момента m: ; (3) ; ; где Fx, Fy, Fz - проекции главного вектора; mx, my, mz - проекции главного момента; , , - косинусы углов наклона усилий в силоизмерительных звеньях к осям координат x, y, z; hx, hy, hz - плечи моментов усилий в силоизмерительных элементах. ; . (4) Сравнивая силовые эквиваленты R и M с проекциями главного вектора и главного момента, устанавливаем систематическую погрешность измерения: M ≡ m; R ≡ F , или Mx ≡ mx ; My ≡ my ; Mz ≡ mz ; Rx ≡ Fx ; Ry ≡ Fy ; Rz ≡ Fz . Следует отметить, что определение систематической погрешности измерения при единичной имитационной нагрузке не может служить достаточной поверкой средства измерения. Как правило, в динамометрических установках, предназначенных для измерения силовых характеристик рабочих органов почвообрабатывающих орудий, систематические погрешности измерения не представляют собой константы, а изменяются в зависимости от внешнего силового нагружения. Это происходит в результате изменения величины деформации измерительных звеньев и, как следствие, изменения их взаимного положения. Иными словами, при увеличении внешнего силового поля нагружения увеличиваются деформации измерительных звеньев и происходят их отклонения от первоначального положения. Исключение самого источника систематических погрешностей измерения при плоскостном или объемном динамометрировании рабочих органов почвообрабатывающих орудий практически невозможно. Важно определять границы ожидаемых погрешностей [2]. При незначительных изменениях внешнего силового нагружения систематические погрешности измерения могут учитываться как постоянные или имеющие линейный характер изменения. В других случаях изменение систематических погрешностей будет иметь более сложный нелинейный характер. При поверках следует учитывать установление характера изменения систематических погрешностей путем имитации разных нагрузок и введения необходимых поправок коэффициентов или функций замещения. Вывод При использовании индивидуальных конструкций приборов и устройств для измерения силовых характеристик рабочих органов почвообрабатывающих орудий целесообразно предварительно выявлять систематические погрешности измерения путем экспериментальной поверки, когда измеряемые величины получают путем имитационного нагружения заранее известными силами или силовыми эквивалентами.