РАБОЧИЙ ЭТАЛОН КОНТРОЛЬНО-ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО СТЕНДА ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ МАССО-ЦЕНТРОВОЧНЫХ И ИНЕРЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК КОНТРОЛИРУЕМОГО ОБЪЕКТА

Полезная модель относится к измерительной технике, а именно к средствам контроля качества функционирования контрольно-измерительных стендов, и может быть использована для диагностики технического состояния стендов, принцип действия которых основан на методе астатического маятника, предназначенных для определения массо-центровочных и инерционных характеристик (МЦИХ) - массы, моментов инерции, координат центра масс, в том числе, параметров массо-инерционной асимметрии, таких как величина поперечного смещения центра масс и угол отклонения продольной главной центральной оси инерции (ГЦОИ) с геометрической оси - длинномерных твердых тел, горизонтально располагающихся на стенде в процессе выполнения измерений.
Как правило, определение массы тела осуществляют взвешиванием на стандартных весах, для определения координат центра масс используют контрольно-измерительные стенды, реализующие весовой метод измерений, а моменты инерции изделий определяют на стендах, реализующих методы маятниковых колебаний. Параметры массо-инерционной асимметрии рассчитывают по специальным методикам с использованием результатов определения массы и МЦИХ. Регулярный контроль метрологических характеристик стендов, а также проверка качества их функционирования во всем диапазоне измерений является актуальной технической задачей при проведении контрольно-испытательных операций по определению массо-центровочных и инерционных характеристик изделий, выполняемых с использованием стендов. Для контроля метрологических характеристик стендов, как правило, используют специализированные рабочие эталоны, конструктивные особенности которых определяются конструкцией стендов, а МЦИХ и базовые посадочные поверхности соответствуют испытуемому изделию. Измерения эталонных МЦИХ выполняются по методикам измерений МЦИХ контролируемых изделий. Критерием оценки правильности функционирования контрольно-измерительных стендов, как правило, является соответствие характеристик точности стендов в заданных диапазонах измерений соответствующим нормированным метрологическим характеристикам.
В настоящее время известны самые различные конструкции рабочих эталонов, однако, все они, обладая определенными достоинствами, не выполняют в полной мере поставленной изобретением задачи.
Известен рабочий эталон для контроля качества функционирования стенда типа СИМИ, реализующего метод опрокинутого унифилярного маятника [Матвеев Е.В., Крылов В.В., Кочкин Е.В. Оборудование для определения характеристик геометрии масс и массы космических летательных аппаратов // Научно-технические достижения: Межотраслевой научно-технический сборник. - ВИМИ, 1992. - №5. - с. 42-43, рис. 2]. Рабочий эталон представляет собой габаритно-массовый макет контролируемого изделия, и реализован в виде динамически сбалансированного осесимметричного твердого тела вращения (цилиндра, конуса, усеченного конуса), параметры массо-инерционной асимметрии которого близки к нулю, а номинальные - эталонные - массо-центровочные и инерционные характеристики известны с высокой точностью. Контроль метрологических характеристик стенда заключается в измерении периодов крутильных колебаний стенда с установленным на нем в заданных пространственно-угловых положениях рабочим эталоном, определении расчетным путем при проведении итоговой обработки результатов измерений его массо-центровочных и инерционных характеристик, сравнении полученных значений с соответствующими номинальными значениями массо-центровочных и инерционных характеристиками рабочего эталона и расчете погрешностей измерений, по которым судят о качестве функционирования стенда.
Недостатком данного технического решения является то, что известное устройство обладает единственным набором эталонных массо-центровочных и инерционных характеристик, а изготовление и последующая метрологическая аттестация каждого нового рабочего эталона требуемой формы и, зачастую, с требуемыми габаритными размерами, но с иными МЦИХ или с иными параметрами массо-инерционной асимметрии, является технически сложной и дорогостоящей задачей. Отсутствие различных рабочих эталонов, представляющих собой макеты изделий одного класса с различающимися МЦИХ и макеты изделий различных классов, не позволяет моделировать различные значения контролируемых МЦИХ, в том числе, параметров массо-инерционной асимметрии изделия и, соответственно, не позволяет оценивать качество функционирования стенда в заданных диапазонах измерений параметров.
Известен рабочий эталон для контроля качества функционирования низкочастотного балансировочного стенда с коническими газостатическими подшипниками и вертикальной осью вращения, предназначенного для определения параметров массо-инерционной асимметрии изделий [Ключников А.В. Способ контроля качества функционирования стенда для определения характеристик асимметрии масс осесимметричных роторов // Труды международного симпозиума «Надежность и качество» в 2-х томах. - Пенза, 2010. - Т. 2. - С. 12-14]. Данное устройство представляет собой твердое тело вращения, выполненное в виде динамически сбалансированного усеченного конуса, габаритные, массо-центровочные и инерционные характеристики, а также базовые посадочные поверхности которого известны с высокой точностью и соответствуют указанным характеристикам и поверхностям контролируемого изделия. Торцы рабочего эталона представляют собой плоскости коррекции известных радиусов, выполненные в виде расположенных равномерно по окружности резьбовых отверстий, предназначенных для прикрепления калиброванных контрольных грузов. В процессе контроля метрологических характеристик стенда в каждой проверяемой точке соответствующего диапазона измерений моделируют (т.е. задают в статических условиях) эталонное значение параметра массо-инерционной асимметрии путем прикрепления в известном угловом положении к плоскостям коррекции контрольных грузов известной массы на известных расстояниях как от центра масс, так и от геометрической оси рабочего эталона, выбираемых из калиброванных грузов, выполненных в виде резьбовых втулок. По результатам измерений вибраций подшипниковых опор, выполняемых в процессе вращения в опорах рабочего эталона, расчетным путем определяют контролируемые параметры массо-инерционной асимметрии. Сравнивая полученные значения с соответствующими смоделированными значениями параметров массо-инерционной асимметрии, рассчитывают погрешности измерений, по которым судят о качестве функционирования стенда в заданных диапазонах измерений параметров.
Недостатком данного технического решения является то, что известное устройство обладает единственной эталонной массой, а изготовление и последующая метрологическая аттестация каждого нового рабочего эталона требуемой формы и с требуемыми габаритными размерами, но с иными МЦИХ, является сложной и дорогостоящей технической задачей. Отсутствие различных рабочих эталонов не позволяет проводить оценку качества функционирования стенда в различных диапазонах измерений.
В качестве прототипа выбран рабочий эталон, которым оснащен стенд, предназначенный для комплексного определения массо-геометрических характеристик деталей методом качающейся платформы [Абышев Н.А., Васильев М.А., Криковцов Д.А., Ключников А.В. Стенд для комплексного определения массо-геометрических характеристик деталей методом качающейся платформы // Труды международного симпозиума «Надежность и качество» (Пенза, 25-30 мая 2015 г. ): в 2-х томах. - Пенза: ПТУ, 2015. - Т. 1. - С. 320-321]. Данное устройство представляет собой габаритно-массовый макет контролируемого объекта, выполненный в виде двух металлических дисков, соединенных жестким валом, имитирующих посадочные поверхности контролируемого объекта, на концах вала имеются стационарно установленные грузы, доводящие вал до заданной общей массы эталона контролируемого объекта и имеющие места крепления под калиброванные контрольные грузы, размещенные в заданных угловых положениях относительно системы координат макета, на заданных расстояниях от центра масс и от оси симметрии макета.
Для моделирования эталонных значений параметров массо-инерционной асимметрии в заданных диапазонах измерений калиброванные контрольные грузы, выполненные в виде резьбовых втулок, прикреплены к торцам вала, для чего на торцах выполнены расположенные на известном радиусе равномерно по окружности резьбовые отверстия. Данное устройство используется для периодического проведения контроля качества функционирования стенда, предназначенного для определения МЦИХ изделий методом астатического маятника и характеризующегося тем, что определение МЦИХ обеспечивается исключительно при горизонтальном расположении контролируемого объекта на стенде.
Контроль метрологических характеристик стенда заключается в измерении периодов качательных колебаний стенда с установленным на нем в заданных пространственно-угловых положениях рабочим эталоном, определении расчетным путем при проведении итоговой обработки результатов измерений его массо-центровочных и инерционных характеристик, а также параметров массо-инерционной асимметрии при проведении опытов с прикрепленными калиброванными контрольными грузами. Сравнивая полученные значения с соответствующими номинальными (эталонными) значениями массо-центровочных и инерционных характеристик рабочего эталона и значениями смоделированных эталонных параметров массо-инерционной асимметрии, рассчитывают погрешности измерений стенда и судят о качестве функционирования стенда. Прототип позволяет контролировать характеристики точности измерений параметров массо-инерционной асимметрии в требуемых диапазонах измерений.
Недостатком прототипа является то, что рабочий эталон обладает единственным вариантом соотношения массы и продольной координаты центра масс, его габариты и, соответственно, моменты инерции и масса - неизменны. А контрольные грузы используются только для задания эталонных параметров массо-инерционной асимметрии. Отсутствие различных рабочих эталонов ограничивает возможности способа тестирования стенда, не позволяя проводить оценку качества функционирования стенда в требуемых диапазонах измерений параметров. Для повышения достоверности результатов тестирования стенда требуется изготовление и использование набора рабочих эталонов с различными соотношениями массы и продольной координаты центра масс, охватывающих заданные диапазоны измерений указанных характеристик. Изготовление и последующая метрологическая аттестация каждого нового рабочего эталона с требуемыми габаритными размерами, но с иными МЦИХ является технически сложной и дорогостоящей задачей.
Задачей предлагаемой полезной модели является создание рабочего эталона, конструкция которого обладает возможностью изменения МЦИХ при проведении контроля метрологических характеристик контрольно-измерительного стенда, предназначенного для определения МЦИХ изделий методом астатического маятника.
Техническим результатом, на достижение которого направлена предлагаемая полезная модель, заключается в обеспечении достоверности результатов контроля качества функционирования стенда в заданных диапазонах измерений массо-центровочных и инерционных характеристик контролируемого объекта (твердого тела вращения), например летательного аппарата.
Указанный технический результат достигается тем, что рабочий эталон контрольно-измерительного стенда для моделирования массо-центровочных и инерционных характеристик контролируемого объекта, представляющий собой габаритно-массовый макет контролируемого объекта, выполненный в виде двух металлических дисков, соединенных жестким валом, имитирующих посадочные поверхности контролируемого объекта, согласно полезной модели устройство выполнено с возможностью крепления к торцам вала сменных грузов, причем на обоих торцах каждого из которых имеются места крепления под калиброванные контрольные грузы, размещенные в заданных угловых положениях относительно системы координат макета, на заданных расстояниях от центра масс и от оси симметрии макета.
Выполнение устройства с возможностью крепления к торцам вала сменных грузов, а также наличие на обоих торцах каждого сменного груза мест крепления под калиброванные контрольные грузы, размещенные в заданных угловых положениях относительно системы координат макета, на заданных расстояниях от центра масс и от оси симметрии макета позволяет осуществить всевозможные вариации установки сменных грузов различной массы, и в различном их сочетании из имеющихся грузов, что дает возможность без переустановки рабочего эталона моделировать эталонные значения массы, продольного положения центра масс, моментов инерции и продольного положения центра масс в заданных диапазонах измерений, что обеспечивает достоверность результатов контроля качества функционирования стенда в заданных диапазонах измерений массо-центровочных и инерционных характеристик контролируемого объекта (твердого тела вращения), например летательного аппарата. При изготовлении целесообразно выбирать массу каждого сменного груза в диапазоне от 10% до 20% от массы вала.
Для повышения информативности измерений места крепления под контрольные грузы на сменных грузах расположены равномерно по окружностям с известными радиусами и известными угловыми положениями в системе координат каждого сменного груза, что позволяет с использованием меньшего количества контрольных грузов моделировать различные эталонные значения параметров массо-инерционной асимметрии в заданных диапазонах измерений.
Наличие в заявляемой полезной модели признаков, отличающих ее от прототипа, позволяет считать ее соответствующей условию «новизна».
Полезная модель иллюстрируется следующими чертежами:
на фиг. 1 показан общий вид рабочего эталона;
на фиг. 2 показан пример установки четырех сменных и четырех контрольных грузов;
на фиг. 3 показан пример установки двух контрольных грузов в различных угловых положениях на торцах сменного груза в системе координат этого груза.
Устройство выполнено следующим образом.
Рабочий эталон контрольно-измерительного стенда для моделирования массо-центровочных и инерционных характеристик контролируемого объекта (фиг. 1-3) представляет собой габаритно-массовый макет контролируемого объекта, выполненный в виде двух соединенных жестким валом 1 металлических дисков 2, имитирующих посадочные поверхности контролируемого объекта и устанавливаемых на ответные опорные поверхности технологической оснастки, размещенной на контролируемом стенде (не показано).
1
2
К торцам вала 1 с помощью направляющих шпилек 3 прикрепляют сменные грузы 4, 5, 6,7 в виде металлических дисков различной массы. Диски 4-7 фиксируют гайками 8 на конце шпилек 3. Количество шпилек 3, обеспечивающих центрирование сменных грузов относительно вала 2, определено числом сквозных отверстий 9 в дисках 4-7. Для моделирования эталонных значений параметров массо-инерционной асимметрии в заданных диапазонах измерений на обоих торцах каждого сменного груза 4-7 равномерно по окружности, на известных радиусах r и r и с известными угловыми положениями выполнены места крепления 10 (например, резьбовые отверстия) под калиброванные контрольные грузы 11, выполненные в виде, например, резьбовых втулок. Данные места крепления определены заданными угловыми положениями относительно системы координат макета, заданными расстояниями от его центра масс и от оси симметрии макета. Шаг между резьбовыми отверстиями на торцах сменных грузов при изготовлении целесообразно выбирать в диапазоне от 10° до 45°. Грузы 4-7, используемые для моделирования эталонных значений массы, продольного положения центра масс и моментов инерции в заданных диапазонах измерений могут быть задействованы в любом сочетании с любым количеством калиброванных контрольных грузов 11 на их торцах. Рассчитанное по законам статики эталонное значение контролируемого параметра массо-инерционной асимметрии обеспечивают установкой контрольного груза 11 в известном угловом положении, и на известном расстоянии от центра масс рабочего эталона.
Устройство работает следующим образом.
Э
Мэ
СТэ
Хэ
ЦМэ
Проверку качества функционирования стенда для определения массо-центровочных и инерционных характеристик летательного аппарата, реализующего метод астатического маятника, проводят с использованием сменных грузов 4-7 и контрольных грузов 11 известной массы и устройства моделирования МЦИХ (фиг. 1). При этом номинальные (начальные) габаритные, геометрические, массо-центровочные и инерционные характеристики рабочего эталона, известные с высокой точностью, а также базовые посадочные поверхности соответствуют характеристикам и базовым поверхностям контролируемого объекта (летательного аппарата), а начальные параметры массо-инерционной асимметрии близки к нулю. Прикрепление сменных грузов 4-7 разной массы к торцам вала позволяет моделировать (задавать) эталонные значения массы М и продольного положения центра масс хЦ рабочего эталона. Прикрепление контрольных грузов 11 в различных угловых положениях (фиг. 2) к свободным торцам сменных грузов 4-7 обеспечивает возможность моделирования не только эталонных значений, но и направлений вектора поперечного смещения центра масс е и угла-вектора отклонения продольной главной центральной оси инерции а, от геометрической оси X эталона в системе координат, связанной с эталоном, а также дополнительно - продольного положения центра масс х. Эталонные значения МЦИХ и параметры массо-инерционной асимметрии рассчитывают в соответствии с законами статики.
Э
Э
Э
Например, при установке в соответствии с фиг. 2 четырех сменных грузов 4, 5, 6, и 7 соответственно массой, эталонные значения продольного положения центра масс в системе координат эталона (расстояния х1 и х2 от центра масс до соответственно левого и правого торцов вала) и массы М рассчитывают по формулам:
0
где x1 - начальное расстояние от центра масс вала до левого торца вала, принимаемого в качестве начала отсчета;
M1, М2, М3 и М4 - массы сменных грузов 4-7;
L - расстояние между торцами вала;
L1, L2, L3 и L4 - расстояния от центра масс рабочего эталона до центра масс соответствующего сменного груза 4-7.
0
M - начальная масса вала.
При этом расстояние х3 определяется как сумма расстояния от центра масс до левого торца вала и ширины прикрепленных к этому торцу сменных грузов 4 и 6, а расстояние x4 определяется как сумма расстояния от центра масс до правого торца вала и ширины прикрепленных к этому торцу сменных грузов 5 и 7.
Э
Э
Э
Э
При установке в соответствии с фиг. 2 четырех контрольных грузов 11, уточненные эталонные расстояния х1, х2, х3, х4, от центра масс до торцов сменных грузов 4-7, к которым прикреплены контрольные грузы 11, в системе координат эталона в соответствии с законами статики рассчитывают по формулам:
где m1, m2, m3 и m4 - массы контрольных грузов 11;
э
э
Δx - разность между значениями x1 и x1, определяемая выражением:
Тогда по законам статики уточненные эталонные значения массы рабочего эталона  и векторных параметров массо-инерционной асимметрии (поперечного смещения центра масс  и угла отклонения продольной ГЦОИ  относительно геометрической оси рабочего эталона) могут быть рассчитаны по формулам:
где  - уточненное значение вектора поперечного смещения центра масс, полученное после прикрепления контрольных грузов 11 к рабочему эталону;
- уточненное значение угла-вектора отклонения продольной ГЦОИ от геометрической оси X рабочего эталона в системе координат, связанной с эталоном, полученное после прикрепления контрольных грузов 11 к рабочему эталону;
m1, m2, m3, m4 - массы контрольных грузов 11;
и  - расстояния от оси симметрии рабочего эталона до центра масс соответствующего контрольного груза m1, m2, m3 и m4 с учетом его углового положения в системе координат устройства;
а
э
I и I - соответственно аксиальный и экваториальный моменты инерции.
Для оценки качества функционирования стенда выполняют ряд идентичных циклов измерений МЦИХ в соответствии с методикой измерений. Для получения вполне достоверной информации о качестве функционирования стенда в целом достаточно провести от трех до пяти измерений в каждой контролируемой точке, каждого контролируемого диапазона измерений.
Э
И
Затем в ходе итоговой обработки результатов для каждой i-ой точки рассчитывают абсолютную погрешность измерений (ΔЗ) как модуль разности между эталонным (смоделированным) значением З и измеренным значением З по формуле
Сравнивая полученные результаты расчетов погрешностей с нормированными метрологическими характеристиками стенда, судят о качестве функционирования стенда. При этом стенд признается годным к эксплуатации, если во всех проверяемых точках отклонения между смоделированным и измеренным значениями не выходят из допускаемых границ, то есть не превышают значений нормированных метрологических характеристик стенда. В противном случае стенд признается несоответствующим заданным требованиям и подлежит ремонту.
Предлагаемый рабочий эталон обеспечивает моделирование значений МЦИХ, прост в реализации и обладает малой трудоемкостью, поскольку не требуется изготавливать и применять набор различных рабочих эталонов, обладающих различными значениями массо-центровочных и инерционных характеристик. Также заявленный рабочий эталон обеспечивает повышение информативности и надежности контроля качества функционирования стенда, предназначенного для определения МЦИХ твердого тела, так как он позволяет с использованием единственного эталона проводить оценку работы стенда в требуемых диапазонах измерений параметров, а также при этом позволяет моделировать множество различных комбинаций при задании значений массо-центровочных и инерционных характеристик и параметров массо-инерционной асимметрии.
За счет определения эталонных МЦИХ и параметров массо-инерционной асимметрии в нескольких (не менее чем в трех, равномерно распределенных по диапазону, например, когда одна из этих точек находится в центре диапазона, а две другие - по его краям) контрольных точках, моделируемых с использованием сменных и контрольных грузов появляется возможность объективно оценивать качество функционирования стенда во всем диапазоне измерений соответствующего контролируемого параметра и, следовательно, повышается информативность и надежность контроля качества функционирования стенда. Число три является на практике минимально допустимым для обеспечения уверенности в объективности оценки качества функционирования стенда в требуемых диапазонах измерений контролируемых параметров. При этом МЦИХ всех составных частей рабочего эталона должны быть известны с высокой точностью. Требования по заданию массы рабочего эталона с помощью сменных грузов и заданию масс и мест установки контрольных грузов вырабатываются испытателем при проведении математического моделирования контролируемых МЦИХ и значений параметров массо-инерционной асимметрии рабочего эталона.
Кроме того, совокупность существенных признаков позволяет получить технический результат в виде сокращения количества рабочих эталонов, требуемых для проведения метрологических испытаний контрольно-измерительного стенда в заданных диапазонах измерений МЦИХ и параметров массо-инерционной асимметрии до одного рабочего эталона. При этом снижаются затраты на изготовление и метрологическую аттестацию рабочих эталонов. Обеспечивается контроль МЦИХ, в том числе параметров массо-инерционной асимметрии, в заданных диапазонах измерений. Контроль метрологических характеристик стенда выполняется при одной установке рабочего эталона на стенд, что позволяет сократить общее время проведения экспериментальных работ.
Таким образом, применение заявляемого рабочего эталона позволяет с помощью сменных грузов и контрольных грузов изменять (моделировать) его массу, моменты инерции, продольную координату центра масс, а также величину поперечного смещения центра масс относительно оси симметрии рабочего эталона и угол отклонения продольной главной центральной оси инерции относительно оси симметрии в заданных диапазонах измерений указанных параметров, повышая достоверность результатов контроля метрологических характеристик контролируемого стенда при сокращении трудоемкости с помощью простых и надежных технических средств, позволяет проводить оценку качества функционирования стенда как в процессе его метрологической аттестации, так и непосредственно перед проведением испытаний контролируемых объектов.
Представленные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании полезной модели следующей совокупности условий:
- заявляемый рабочий эталон предназначен для использования при определении метрологических характеристик и качества функционирования контрольно-измерительных стендов, предназначенных для определения МЦИХ длинномерных твердых тел, методом астатического маятника;
- для заявляемого рабочего эталона в том виде, в котором он охарактеризован в формуле полезной модели, подтверждена возможность его осуществления с помощью описанных в заявке и известных до даты приоритета средств и методов;
- заявляемый рабочий эталон при его использовании способен обеспечить достоверность результатов контроля качества функционирования стенда в заданных диапазонах измерений массо-центровочных и инерционных характеристик контролируемого объекта (твердого тела), например летательного аппарата.
Следовательно, заявляемый рабочий эталон соответствует условию «промышленная применимость».