ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЛАБОРАТОРНОГО СТЕНДА ДЛЯ ИСПЫТАНИЯ РАБОЧИХ ОРГАНОВ СПЕЦИАЛЬНЫХ МАШИН АЭРОДРОМНО-ТЕХНИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ

Полный текст

Введение. Для выполнения программы «Социаль- но-экономическое развитие Арктической зоны Рос- сийской Федерации на период до 2020 года», утвер- жденной постановлением правительства [1], необхо- димо реализовать стратегию [2], согласно которой предусмотрена интеграция Арктической зоны с ос- новными районами России посредством освоения и разработки месторождений углеводородов, цветных и драгоценных металлов, формирования современных транспортно-логистических узлов и опорной сети ав- томобильных дорог, развития, реконструкции и мо- дернизации аэропортовой сети. Это повлечет за собой необходимость содержания вновь построенных и реконструированных автомо- бильных дорог и аэродромов в зимний период, дли- тельность которого в некоторых районах превышает 140 дней в году. Самые сложные и ответственные мероприятия по содержанию дорожных покрытий различного назначения направлены на разрушение и удаление снежно-ледяных образований (СЛО). Из- вестны несколько способов борьбы со СЛО: химико- механический [3], фрикционный, тепловой, механиче- ский. Последний способ позволяет разрушать и уда- лять СЛО с дорожных покрытий, не нанося вреда ок- ружающей среде, а также экономить на химических реагентах, топливе и сохранять целостность дорожно- го полотна. Это закрепляет за механическим спосо- бом первенство в разработке и проектировании новых рабочих органов специальных машин. Однако существует ниша, в которой данный спо- соб является малоэффективным - это удаление проч- ных снежно-ледяных образований (ПСЛО), что обу- словлено их физико-механическими свойствами: плотность ρ = 0,6-0,9 г/см3; предел прочности на сжа- тие σ = 2,5-2,8 МПа; толщина слоя h ≤ 100 мм; темпе- ратура исследуемой среды -2…-10 °C. Существую- щие рабочие органы или не приспособлены для их разрушения, или делают это малоэффективно. Для повышения производительности и снижения энерго- емкости при удалении ПСЛО предложено примене- ние дискового режущего инструмента [4-6]. Однако с применением дискового режущего инструмента вста- ет вопрос создания высокоэффективных рабочих ор- ганов, на стадии проектирования которых необходи- мо знать силовые параметры. Величина их зависит от множества факторов, например, таких как скорость резания, геометрические параметры инструмента, температура окружающей среды и разрушаемого ма- териала, степень износа, обусловленная величиной радиуса закругления рабочей кромки. Условия проведения эксперимента. Для более объективного изучения процесса взаимодействия дискового инструмента с ПСЛО предлагается контролировать три составляющие силы резания: горизон- тальную, боковую и вертикальную. Контроль непо- средственно на рабочем органе малоэффективен, так как требует больших трудозатрат и дорогостоящего оборудования (датчики силы, оснастка для их монта- жа); кроме того, невозможно изолировать влияние температуры окружающей среды, влажности, тепло- запаса дорожного полотна и других факторов друг на друга; постоянно меняются физико-механические свойства ПСЛО. Поэтому, опираясь на результаты работ [7-10] по резанию мерзлых грунтов различны- ми инструментами, целесообразно исследовать про- цесс взаимодействия полноразмерного дискового ре- жущего инструмента (рис. 1), имеющего различный радиус закругления рабочей кромки, с разрушаемым массивом путем стендовых испытаний в лаборатор- ных условиях. Во время проведения экспериментальных иссле- дований использовались дисковые резцы с различным радиусом закругления рабочей кромки R = [0, 5; 1, 5; 2, 5; 3, 5; 4, 5] мм. Данный диапазон значений обуслов- лен результатами исследований изнашивания режу- щей кромки, проведенными в работе [8]. Скорость резания 0,51 м/c (1,84 км/ч). Температура окружаю- щего воздуха -2…-7 °C. Остальные параметры дискового режущего инструмента приняты следую- щими: диаметр D = 200 мм, угол заострения δ = 30°; глубина резания h = 60 мм; шаг резания t = [10; 20; 30; 40; 50] мм; задний угол γ = 3°-5°; материал - тер- мообработанная сталь 40ХН (HRC 52-54) [11]. Для проведения эксперимента использовался механизиро- ванный лабораторный стенд, описанный в работе [12], конструкция которого защищена патентом на изобре- тение № 2429459 [13]. Для фиксирования и записи информации применен измерительный комплекс, описанный в статье [14]. Тензометрический измерительный элемент. Тензометрическая балка представляет собой тонко- стенный цилиндр (рис. 2) с прямоугольным основани- ем, служащим креплением к лабораторному стенду. Изделие выполнено из стали марки 50ХФА [11]. При её нагружении происходит упругая деформация, на которую реагируют наклеенные на поверхность балки тензорезистивные элементы (2ФКПА 20 200 ГВ). На рис. 2 приведена схема наклейки чувствительных элементов. Размещение тензорезисторов в зонах стабильных деформаций обеспечивает интенсивное растяжение и сжатие нитей чувствительных решеток, достаточное для получения стабильных сигналов на выходе полу- мостовых (мостовых) схем. Такое размещение тензо- резисторов способствует и повышению общей чувст- вительности тензометрического элемента. Рис. 1. Схема взаимодействия дискового режущего инструмента с разрушаемым массивом: R - радиус закругления рабочей кромки; t - шаг резания; D - диаметр дискового резца; δ - угол заострения; h - глубина резания; γ - задний угол Fig. 1. Scheme of interaction of a disk cutting tool with a destructible array: R - working edge radius of curvature; t - cutting step; D - diameter of the disk cutter; δ - wedge angle; h - depth of cut; γ - clearance Рис. 2. Чертеж тензометрического измерительного элемента Fig. 2. The draft of the strain gauge element Рис. 3. Диаграмма переходных процессов при тарировании горизонтальной составляющей усилия резания: сверху вниз: горизонтальная, боковая, вертикальная составляющая усилия резания Fig. 3. The diagram of transients during horizontal force component calibration Top down: horizontal, lateral, vertical component of the cutting force Для измерения горизонтальной составляющей приложенного усилия используется полумостовая схема включения с избирательной чувствительно- стью, тензорезистор R1 включён в первое плечо изме- рительного моста, а R2 - в четвёртое. Такая схема позволяет обеспечить избирательную чувствительность тензометрического моста к дефор- мации изгиба, возникающей вследствие действия бо- ковой составляющей приложенного усилия, и не чув- ствительна к деформации растяжения-сжатия, возни- кающей вследствие действия вертикальной состав- ляющей. Для боковой составляющей используется схема включения тензорезисторов, аналогичная при- ведённой выше. Тензорезистор R5 включён в первое плечо измерительного моста, а R6 - в четвёртое. Для измерения вертикальной составляющей диаметрально расположенные тензорезисторы R7 и R9 необходимо включить в одно плечо полумоста. Во второе плечо включаются компенсационные тензорезисторы R8 и R10. Все схемы включения обеспечивают термоком- пенсацию и компенсацию сопротивления соедини- тельных проводов. Тарирование тензометрического элемента. Для тарирования тензометрического элемента, описанного выше, применяется стенд, конструкция которого за- щищена патентом на изобретение № 2500983 [15], позволяющий закреплять элемент в различных про- странственных положения и, соответственно, созда- вать требуемый вектор нагрузки. Тарирование произ- водилось с помощью одного измерительного прибора для всех составляющих - динамометра растяжения ДПУ-5-2 5033 второго класса точности. Для нагруже- ния элемента использовался талреп и вспомогатель- ная оснастка. Нагрузка элемента осуществлялась ступенчато, с шагом 500 Н, до предельного значения в 2 500 Н. Раз- грузка производилась с тем же шагом до нулевого значения. На рис. 3 приведена диаграмма переходных процессов, возникающих во время тарирования. На графике горизонтальной составляющей (рис. 3) видно ступенчатое изменение напряжения и его по- стоянная величина для каждой из ступеней. Для гра- фика боковой и вертикальной составляющей одно- значно прослеживается «нулевое» значение, что в свою очередь подтверждает правильность наклейки тензорезисторов и утверждение об исключении вза- имного влияния различных составляющих друг на друга. Диаграммы переходных процессов при тариро- вании боковой и горизонтальной составляющей уси- лия резания аналогичны приведенной выше. Для сопоставления значения напряжения к прило- женному усилию исходные данные поблочно (один блок длительностью 2 с) подвергались обработке, ре- зультаты которой приведены в таблице. Благодаря данным результатам удалось построить графическую зависимость (рис. 4), отражающую от- ношение значения составляющих силы, прилагаемой к тензометрическому элементу, и напряжения, полу- ченного с тензометрического усилителя. Из графиков отчетливо видна линейная зависи- мость горизонтальной, боковой и вертикальной со- ставляющей усилия резания от напряжения. Для каж- дого графика 1, 5, 9 (рис. 4) вычислим коэффициент линии тренда, проходящей через начало координат 80 074,568 Н/В, 140 953,396 Н/В, 51 338,284 Н/В для горизонтальной, боковой и вертикальной составляю- щей усилия резания соответственно. Эти значения и будут являться тарировочными коэффициентами. Зависимость напряжения на каналах оцифровки от приложенной силы в процессе тарирования горизонтальной составляющей усилия резания Сила, Н Канал измерения горизонтальный, мВ боковой, мВ вертикальный, мВ 0 0,0687 0,175 0,325 500 5,19 0,769 0,406 1 000 11,5 0,212 0,456 1 500 18,2 0,919 0,106 2 000 24,9 0,438 0,787 2 500 32,1 0,25 0,412 Рис. 4. Графики тарирования тензометрического звена: 1, 2, 3 - горизонтальная, боковая, вертикальная составляющие усилия резания соответственно при тари- ровании горизонтальной составляющей; 4, 5, 6 - аналогично при тарировании боковой составляющей; 7, 8, 9 - аналогично при тарировании вертикальной составляющей Fig. 4. Graphs of gauging of strain gauge element: 1, 2, 3 - horizontal, lateral, vertical component of the cutting force under gauging of lateral component; 4, 5, 6 - identical under gauging of lateral component; 7, 8, 9 - identical under gauging of vertical component Заключение. Тарирование измерительного преоб- разователя является одним из важнейших факторов успешности проведения экспериментальных лабора- торных исследований. Известно, что на показания тензометрического элемента может оказывать влия- ние множество различных переменных факторов, на- пример, электромагнитные поля, сопротивление про- водов, температура окружающей среды и т. д. Выяв- ление таких влияний на этапе тарирования позволяет или полностью их устранить (например, изменением конструкции тензометрического элемента), или зало- жить их учет в тарировочные коэффициенты. Это, в свою очередь, сказывается на данных, полученных в ходе экспериментальных исследований. Тарирова- ние следует проводить перед каждой серией опытов. Также перед каждым тарированием рекомендуется проводить тренировку измерительного преобразова- теля загрузкой и разгрузкой несколько раз, без фикса- ции получаемых данных. Это обеспечит наибольшую достоверность получаемых данных. Также в процессе тарирования измерительного преобразователя могут быть выявлены сбои в его работе, поломки, что по- зволит своевременно их устранить и обеспечить цело- стность экспериментальных данных.

Об авторах

А. С. Сатышев

Сибирский федеральный университет Институт нефти и газа

Email: satushev@gmail.com
Российская Федерация, 660041, г. Красноярск, просп. Свободный, 82, стр. 6

Ю. Н. Безбородов

Сибирский федеральный университет Институт нефти и газа

Российская Федерация, 660041, г. Красноярск, просп. Свободный, 82, стр. 6

В. А. Ганжа

Сибирский федеральный университет Институт нефти и газа

Российская Федерация, 660041, г. Красноярск, просп. Свободный, 82, стр. 6

Список литературы

Дополнительные файлы