Стенд контроля МЦХ и МИХ

Полезная модель «Стенд контроля массо-центровочных и массо-инерционных характеристик (МЦХ И МИХ)» относится к устройствам машиностроения для определения тактических характеристик изделий: координат центра масс, главных моментов инерции, углов перекоса главных центральных осей инерции, массы с одного установа.
Устройство указанного вида, известное из изобретения по патенту РФ №2017103 (МПК G01M 1/10, опубликовано 30.07.1994), содержит установленный на основании корпус, размещенную в нем колебательную систему, выполненную в виде платформы, связанной торсионом с корпусом, планшайбу для закрепления изделия и узел поворота планшайбы относительно вертикальной оси, параллельной оси платформы. Недостатком устройства является сравнительная ограниченность технологических возможностей, не возможность определения массы испытуемого объекта.
Устройство аналогичного назначения и конструкции, известное из изобретения по патенту РФ №2683800 (МПК G01M 1/10 (2006.01), опубликовано 02.04.2019. Бюл. №10), содержит стол аэростатический с установленным опорно-поворотным устройством с измерительным прибором, системы регистрации, при этом в поворотную планшайбу блока измерительных датчиков встроены датчики электродинамического типа. Недостатком устройства является наличие встроенных датчиков электродинамического типа с заданным диапазоном определения искомых величин и отсутствием возможности расширения заданного диапазона, особенно по массе испытуемых объектов.
Наиболее близким по технической сущности к полезной модели является устройство, известное из патента РФ №2697442 (МПК G01M 1/10 (2019.02), опубликовано 14.08.2019. Бюл. №23), которое содержит основание, установленный на нем корпус, размещенную на нем платформу, связывающее корпус и платформу упругое средство и узел поворота платформы, 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. Данное устройство взято за прототип.
Ui
Недостатком устройства является низкая повторяемость результатов измерений координат центра масс и инерционных характеристик вследствие жесткого закрепления аэростатических подпятников, вызывающих неоднородность воздушного зазора системы «платформа-подпятники», из-за чего возникающий перекос платформы снижает точность позиционирования изделия, а также увеличивает возможность затухания периодов крутильных колебаний, тем самым снижает точность измерений колебаний и приводит к возникновению дополнительных погрешностей определения инерционных характеристик. Кроме того, постоянная связь платформы с жестко закрепленным торсионом через диафрагму вводит ограничение по грузоподъемности устройства. Для решения заложенного математического алгоритма при определении моментов инерции изделия, отмеченных как J, необходимо определить массу устанавливаемого изделия на отдельной предшествующей технологической операции.
Заявляемая полезная модель решает техническую проблему, направленную на повышение точности определения тактических характеристик изделий, расширяет грузоподъемность применяемых изделий и исключает выполнение отдельной технологической операции по определению массы изделия.
Необходимый технический результат получают за счет того, что в известном устройстве для определения тактических характеристик изделий на основание с закрепленными на нем самовыравнивающимися аэростатическими опорами, взаимодействующими с подвижной платформой, которая связана с корпусом через подвижный торсион и снабжена вертикальным пазом, который служит для размещения испытуемого объекта через установленное на платформе центровочное приспособление с возможностью поворота вокруг вертикальной и наклона вокруг горизонтальной осей, между основанием и платформой установлены перемещающиеся, за счет возможности свободного роспуска торсиона, по вертикальной оси тензометрические датчики, снабженные пневматическими камерами, служащие для определения массы установленных изделий.
Полезная модель иллюстрируется следующими чертежами: на фиг. 1 изображено предлагаемое устройство; на фиг. 2 - то же, вид сверху; на фиг. 3 - положение проекций центра масс на горизонтальную плоскость при различных углах поворота; на фиг. 4 - графики среднеквадратичных отклонений с отсеиванием по критерию Граббса.
Устройство выполнено следующим образом: на основание 4 через пневматические камеры 5, 6, 7 закреплены тензометрические датчики 1, 2, 3, при этом подвижная платформа 8 оперта на три опоры 9, 10, 11, снабженные самовыравнивающимися кольцевыми воздушными подушками, с зазором между опорами и датчиками 1, 2, 3 для обеспечения рабочего хода камер 5, 6, 7. Подвижная платформа 8 связана с радиальным подшипником 12, подвижным торсионом 13 и роспускным механизмом 14, закрепленным на основании 4, при этом платформа 8 фиксирована на оси торсиона 13 посредством радиального подшипника 12, образуя колебательную систему, и снабжена механизмом перемещения 24 центровочного устройства 15.
Основание 4, платформа 8 снабжены U-образным вертикальным пазом, в котором через центровочное устройство 15, выполненное в виде конической тонкостенной оболочки 16, с компенсирующим механизмом 17, снабженным опорными поверхностями 18, 19, на которые устанавливается испытуемый объект 20, имеющий возможность проворота вокруг своей оси на угол 360°, за счет механизма вращения 21 с фиксацией в строго определенных положениях при помощи механизма фиксации 22, установленного в позиционно-поворотном устройстве 23 симметрично расположенного с двух сторон относительно U-образного паза. В верхней части основания 4 размещены: система регистрации крутильных колебаний 25 и узел поворота 26 платформы 8.
Стенд контроля инерционных и массовых характеристик изделий работает следующим образом.
Исходное положение. Центровочное устройство 15 занимает вертикальное положение, в которое устанавливают изделие 20, опирая его на опорные поверхности 18, 19 таким образом, чтобы торцевая поверхность изделия (точка «0») совпала с торцевой поверхностью центровочного устройства 15 при помощи компенсирующего механизма 17. Конструкция оболочки 16 выполнена таким образом, что установленное изделие 20 фиксируется относительно оси ОХ так, что ось Z лежит в плоскости симметрии паза и направлена от оси платформы 8.
При помощи роспускного механизма 14 ослабляют крепления нижнего конца торсиона 13, подают сжатый воздух в радиальный подшипник 12 и в самовыравнивающиеся кольцевые аэростатические опоры 9, 10, 11, установленные на основании 4, между опорами 9-11 и платформой 8 образуя воздушный зазор, который выбирается при помощи поднятия тензометрических датчиков 1, 2, 3 по средствам перемещения пневматических камер 5, 6, 7. Подачу воздуха в опоры 9, 10, 11 и в подшипник 12 - прекращают. Измеряют реакции опор R, раздельно по каждому из датчиков. Применяя известные зависимости, определяют массу установленного изделия как:
изд
ИО
О
М=М-М
,
изд
где М - масса изделия, кг;
ИО
М - масса оснастки с изделием, кг;
О
М - масса оснастки, кг;
- реакция опор соответствующего датчика оснастки с изделием, кг;
- реакция опор соответствующего датчика оснастки, кг;
i=1…3.
j
Зная плечи А, В, С (фиг. 2), определяют координаты X, Y, Z, для этого достаточно механизмом вращения 21 последовательно повернуть центровочное устройство 15 с изделием 20 на 360°, с фиксацией при помощи механизма фиксации 22, в угловых положениях: 90°, 180°, 270° относительно оси ОХ по часовой стрелке, измеряя при каждом фиксированном положении реакции опор R.
Координаты X, Y, Z определяются из зависимостей треугольника ABC (фиг. 2):
мм
мм
мм
где H - высота треугольника ABC к основанию С, мм;
3
4
L, L - расстояния от точек А и В до точки пересечения высоты с основанием АВ, мм;
- реакция тензодатчика "А" в I и III положениях;
- реакция тензодатчика "В" в I и III положениях;
- масса изделия по показаниям тензодатчиков в I и III положениях, кг;
- реакция тензодатчика "А" во II и IV положениях;
- реакция тензодатчика "В" во II и IV положениях;
- масса изделия по показаниям тензодатчиков во II и IV положениях, кг.
1
2
3
4
Определение инерционных характеристик основано на измерении периодов колебаний в различных положениях центровочного устройства 15. Для этого прекращают подачу воздуха в камеры 5, 6, 7, зажимают роспускной механизм 14, тем самым защемляя нижний конец торсиона 13. Узлом поворота 26 закручивается торсион на угол 2°-4° относительно оси ОХ, подается воздух в опоры 9, 10, 11, подшипник 12. Включают систему регистрации крутильных колебаний 25, по команде с которой подают сжатый воздух в узел поворота 26, который отпускает платформу 8. Платформа 8 вместе с изделием 20 начинает совершать свободные крутильные колебания. Измеряют период колебаний Т. Затем при помощи механизма вращения 21 последовательно поворачивают центровочное устройство 15 с изделием 20 на 360°, с фиксацией при помощи механизма фиксации 22, в угловых положениях: 90°, 180°, 270° относительно оси ОХ по часовой стрелке, запуская при этом цикл измерений, снимают показания периодов колебаний платформы соответственно Т, Т, Т
На фиг. 3 показаны проекции центра масс изделия и их положение относительно оси колебаний с изделием в четырех описанных положениях.
5
6
7
8
Далее механизм вращения 21 позиционно-поворотного устройства 23 наклоняет центровочное устройство 15 на угол 45 градусов, производят измерение колебаний T, последовательно поворачивая центровочное устройство 15 с изделием 20 на 360 градусов, с фиксацией при помощи механизма фиксации 22, в угловых положениях 90, 180, 270 градусов относительно оси ОХ по часовой стрелке, запуская при этом цикл измерений, снимают показания периодов колебаний платформы соответственно Т, Т, Т.
Периоды крутильных колебаний унифилярного подвеса связаны с моментами инерции по известным зависимостям (М.М. Гернет, В.Ф. Ратобыльский. Определение моментов инерции. - М.: «Машиностроение», 1969, стр. 67-90):
где
0i
J - момент инерции оснастки, относительно оси колебаний платформы;
ui
J - момент инерции изделия, относительно оси колебаний платформы;
i - порядковой номер параметров, соответствующий заданному положению изделия
В свою очередь, определение моментов инерции оснастки относительно оси колебаний платформы осуществляют на основании метода эталона (М.М. Гернет, В.Ф. Ратобыльский. Определение моментов инерции. - М.: «Машиностроение», 1969, стр. 70-71):
,
Эi
где J - моменты инерции эталона относительно оси колебаний.
Обработку результатов измерений выполняют по (ГОСТ Р 8.736-2011. Государственная система обеспечения единства измерений. Измерения прямые многократные. Методы обработки результатов измерений. Основные положения. М.: 2013). С целью уменьшения среднеквадратичных отклонений обработку проводят «по критерию Граббса», взамен ранее применявшегося способа «усреднений значений». Искаженность результатов определений среднеквадратичных отклонений между двумя способами, полученная в ходе экспериментальных работ, отражена в табл. 1. Наглядно обработка результатов отражена на фиг. 4.
X
Y
Z
YZ
ZX
XY
Для определения составляющих тензора инерции используем шесть моментов инерции: три относительно координатных осей J, J, J и три относительно биссектрис углов между положительными направлениями координатных осей J, J, J. Зная составляющие тензора инерции, составляем вековое уравнение:
где
X⋅Y
Z⋅X
Y⋅Z
J, J, J - центробежные моменты инерции, определяемые по формулам:
гл1
гл2
гл3
Решая вековое уравнение, определяем три главных момента инерции: J, J, J.
Главные направляющие косинусов, определяющие действительное значения углов перекоса, определяются из системы уравнений:
совместно с уравнением:
2
2
2
гл.к
гл.к
гл.к
cosα+cosβ+cosγ=1
Таким образом, использование стенда контроля МЦХ и МИХ по сравнению с прототипом позволяет повысить точность определения массо-инерционных и массо-центровочных характеристик, а также дополнительно определять массу изделия за счет того, что стенд снабжен самовыравнивающимися кольцевыми аэростатическими опорами, взаимодействующими с подвижной платформой, связанной с корпусом через подвижный торсион, который, в свою очередь, имеет возможность перемещения вдоль вертикальной оси. Между основанием и платформой через пневматические камеры установлены тензометрические датчики.