Устройство для определения инерционных характеристик протяженных изделий
DEVICE FOR DETERMINING INERTIAL CHARACTERISTICS OF ELONGATED ARTICLES

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано для определения инерционных характеристик изделий.
Устройство указанного вида известно из изобретения по патенту РФ №2017103 G01M 1/10 и содержит установленный на основании корпус, размещенную в нем колебательную систему, выполненную в виде платформы, связанной торсионом с корпусом, планшайбу для закрепления изделия, узел поворота планшайбы относительно вертикальной оси параллельной оси платформы и узел поворота планшайбы относительно наклонной оси, а сама планшайба выполнена поворотной относительно оси, совпадающей с осью платформы. Данное устройство взято за прототип.
Недостатком устройства является невысокая точность измерений координат центра масс относительно продольной оси протяженных изделий вследствие необходимости размещения изделия над платформой и консольного его закрепления на планшайбе, вызывающего возникновение деформаций силовых элементов несущих конструкций и снижающего точность позиционирования изделия. Кроме того, консольное закрепление на платформе и выполняемая схема позиционирования изделия, при определении периода крутильных колебаний, не позволяют обеспечить необходимую жесткость и стабильность работы аэростатического подвеса, что также снижает точность измерений периода крутильных колебаний и приводит к возникновению дополнительных погрешностей определения инерционных характеристик.
Заявляемое изобретение решает техническую проблему, направленную на повышение точности определения инерционных характеристик протяженных изделий и повышение надежности работы устройства.
Необходимый технический результат получают за счет того, что в известном устройстве для определения инерционных характеристик протяженных изделий в верхней части корпуса размещена система регистрации параметров крутильных колебаний, корпус и платформа снабжены вертикальным пазом в плоскости симметрии которого, подвижно размещено центровочное приспособление, установленное с возможностью поворота вокруг первой оси, расположенной в плоскости симметрии паза, и вокруг расположенной на заданном расстоянии от оси платформы параллельной оси, перпендикулярной к первой оси, корпус выполнен из камня твердых горных пород и снабжен аэростатическими подпятниками, взаимодействующими с платформой, а центровочное приспособление снабжено установленными с возможностью перемещения относительно друг друга, в осевом направлении, кольцами с коническими опорными поверхностями для размещения испытуемого изделия.
Указанные существенные отличительные признаки в совокупности с известными признаками позволяют обеспечить повышение точности определения инерционных характеристик протяженных изделий за счет повышения точности позиционирования изделия, снижения деформаций несущих элементов позиционирующей системы в результате исключения консольных нагрузок на нее от испытуемого изделия, стабилизации параметров крутильных колебаний, за счет повышения жесткости и термостабильности элементов аэростатического подвеса обеспечиваемых выполнением корпуса из камня твердых горных пород и установкой раздельных аэростатических подпятников.
Проведенный анализ общедоступных источников информации об уровне техники не позволил выявить техническое решение, тождественное заявленному, на основании чего делается вывод о неизвестности последнего, т.е. соответствии представленного в настоящей заявке изобретения критерию «новизна».
Сопоставительный анализ заявленного решения с известными техническими решениями позволил выявить, что представленная совокупность отличительных признаков неизвестна для специалиста в данной области техники и не следует явным образом из известного уровня техники, на основании чего делается вывод о соответствии представленного в настоящей заявке изобретения критерию «изобретательский уровень».
Для пояснения изобретения ниже приводится конкретный пример его выполнения со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых: фиг. 1 изображает предлагаемое устройство; фиг. 2 - то же, вид сверху; фиг. 3 и фиг. 4 - положения проекций центра масс на горизонтальную плоскость при различных углах поворота и перемещения планшайбы.
Устройство содержит установленный на основании 1 корпус 2, размещенную на нем колебательную систему, включающую платформу 3, связанную торсионом 4 с диафрагмой 5, закрепленной на корпусе 2.
Платформа 3 оперта на корпус 2 посредством трех аэростатических подпятников 6, 7, 8 и фиксирована на оси торсиона посредством радиального аэростатического подшипника 9. Корпус 2 и платформа 3 снабжены вертикальным пазом 10, в котором размещено центровочное приспособление 11, выполненное в виде цилиндрической оболочки 12, с неподвижным 13 и подвижным подпружиненным 14 кольцами, снабженными коническими опорными поверхностями 15 и 16, на которые устанавливается изделие 17. Центровочное приспособление 11 смонтировано на внутреннем кольце 18 опорно-поворотного устройства 19, наружное кольцо которого 20 снабжено фиксатором внутреннего кольца 21. Опорно-поворотное устройство 19 посредством цапф 22 смонтировано на ползуне 23, снабженном фиксатором 24, направляющими 25, 26, 27 и клиновым зажимом 28. В верхней части корпуса 2, по обе стороны U-образного паза 10, размещены узел поворота платформы 29 и система регистрации параметров крутильных колебаний 30.
Устройство для определения инерционных характеристик протяженных изделий работает следующим образом.
В исходном положении торсион 4 колебательной системы закручен на угол 1…3 градуса относительно оси ОХ и связанная с ним платформа 3, с помощью узла поворота 29, удерживается во взведенном состоянии, центровочное приспособление 11 установлено в вертикальное положение и удерживается фиксатором 24, ползун 23 находится в левом крайнем положении и зафиксирован клиновым зажимом 28.
Изделие 17 устанавливают в центровочное приспособление 11 и фиксируют подпружиненным кольцом 14 относительно оси ОХ так, что ось Z лежит в плоскости симметрии паза 10 и направлена от оси платформы - исходное положение изделия.
Подают сжатый воздух в аэростатические подпятники 6, 7, 8 и радиальный подшипник 9, включают систему регистрации параметров крутильных колебаний 30, по команде с которой подают сжатый воздух в узел поворота 29, который отпускает платформу 3. Платформа 3 вместе с изделием 17 начинает совершать свободные крутильные колебания.
Измеряют период крутильных колебаний Т1. Далее, с помощью опорно-поворотного устройства 19 поворачивают центровочное приспособление 12 с изделием 17 последовательно на 90°, 180°, 270° по часовой стрелке, каждый раз фиксируя его фиксатором 21 и запуская цикл измерений, снимают показания периодов колебаний платформы с изделием соответственно Т2, Т3, Т4.
На фиг. 3 показаны проекции центра масс изделия и их положение относительно оси колебаний в четырех описанных положениях.
После описанных операций, внутреннее кольцо опорно-поворотного устройства 19 поворачивают на 90 градусов, фиксируют фиксатором 21, при этом изделие занимает исходное положение, открывают фиксатор 24, центровочное приспособление 11 с изделием 17 устанавливают в горизонтальное положение и вновь фиксируют фиксатором 24, производят измерение периодов колебаний Т5, открывают клиновой зажим 28, перемещают ползун в правое крайнее положение, фиксируют зажимом 28 и производят измерение периода колебаний Т6, после чего ползун вновь возвращают в левое крайнее положение и фиксируют зажимом 28. Поворачивают внутреннее кольцо опорно-поворотного устройства на 45 и 90 градусов каждый раз, фиксируя его фиксатором 21 и запуская цикл измерений, снимают показания периодов колебаний платформы с изделием Т7, Т8. Открывают фиксатор 24, центровочное приспособление 11 с изделием 17 устанавливают под углом 45 градусов к горизонту и вновь фиксируют фиксатором 24, производят измерение периодов колебаний Т9, далее поворачивают внутреннее кольцо опорно-поворотного устройства на 90 градусов, фиксируют его фиксатором 21 и производят измерение периода колебаний Т10.
Применяя известные зависимости между периодом крутильных колебаний унифилярного подвеса и его моментом инерции (Гернет М.М. и Ратобыльский В.Ф. Определение моментов инерции. М.: Машиностроение, 1969), определяем значения моментов инерции изделия относительно оси унифилярного подвеса по формулам:
где:
oi
J - момент инерции оснастки, относительно оси колебаний платформы;
ui
J - момент инерции изделия, относительно оси колебаний платформы;
i - порядковый номер параметров соответствующий заданному положению изделия.
Моменты инерции оснастки, относительно оси колебаний платформы являются константой для данного устройства и определяются при его поверке через периоды колебаний оснастки и периоды колебаний оснастки с эталоном, моменты инерции которого известны по формуле, аналогичной ранее приведенной.
где:
oi
J - моменты инерции оснастки относительно оси колебаний платформы;
эi
J -моменты инерции эталона относительно той же оси. Определение координат центра масс изделия основано на использовании теоремы Гюйгенса - Штейнера
где:
цi
J - момент инерции изделия относительно центральной оси, проходящей через центр масс и параллельной оси крутильных колебаний;
М - масса изделия;
Lц - расстояние между центральной осью изделия и осью колебаний платформы.
При первых четырех измерениях изделие вращается вокруг неподвижной продольной оси ОХ параллельной оси унифилярного подвеса, определяемой опорными базовыми поверхностями 15, 16 и принимая во внимание, что в соответствии фиг. 3:
1
3
2
4
Y=Y=У, Z=Z=Z можно написать:
u1
ц1
2
2
J=J+M((L+Z)+Y)
u2
ц1
2
2
J=J+M((L-Y)+Z)
u3
ц1
2
2
J=J+М((L-Z)+Y)
u4
ц1
2
2
J=J+M((L+Y)+Z)
Из системы 4-х уравнений найдем:
При пятом и шестом измерениях изделие перемещается, не изменяя своей пространственной ориентации относительно оси колебаний, поэтому можно записать:
u5
ц5
2
2
J=J+M(X+Y)
u5
ц5
2
2
J=J+M((X+a)+Y)
где:
а - величина горизонтального смещения ползуна 23
Из системы уравнений получим:
XX
YY
ZZ
YZ
ZX
XY
Для определения составляющих тензора инерции используем шесть моментов инерции: три относительно координатных осей (J, J, J_-положения 1,5,8 соответственно) и три относительно биссектрис углов между положительными направлениями координатных осей (J, J, J -положения 7,9,10 соответственно). Зная составляющие тензора инерции, составляем векторное уравнение:
X⋅Y
Z⋅X
Y⋅Z
где J, J, J - центробежные моменты инерции определяются по формулам:
Решая векторное уравнение, находим три главных момента инерции:
гл.1
гл..2
гл.3
J, J, J.
Главные направляющие косинусов определяются из системы уравнений:
совместно с уравнением
Таким образом, использование предлагаемого устройства для определения инерционных характеристик по сравнению с прототипом, позволяет повысить точность определения искомых величин и надежность работы устройства за счет того, что в верхней части корпуса размещена система регистрации параметров крутильных колебаний, корпус и платформа снабжены вертикальным пазом, в плоскости симметрии которого подвижно размещено центровочное приспособление, установленное с возможностью поворота вокруг первой оси, расположенной в плоскости симметрии паза, и вокруг расположенной на заданном расстоянии от оси платформы параллельной оси, перпендикулярной к первой оси, корпус выполнен из камня твердых горных пород и снабжен аэростатическими подпятниками, взаимодействующими с платформой, а центровочное приспособление снабжено установленными, с возможностью перемещения относительно друг друга, в осевом направлении, кольцами с коническими опорными поверхностями для размещения испытуемого изделия. Все это повышает точность позиционирования изделия за счет снижения деформаций несущих элементов позиционирующей системы в результате исключения консольных нагрузок на нее от испытуемого изделия, стабилизирует параметры крутильных колебаний благодаря повышению жесткости и термостабильности элементов аэростатического подвеса, обеспечиваемых выполнением корпуса из камня твердых горных пород, и установкой раздельных аэростатических подпятников, что создает технико-экономический эффект.