СТЕНД ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ МОЩНОСТИ В ЗАМКНУТОМ КОНТУРЕ МЕЛЬНИЦЫ ДИНАМИЧЕСКОГО САМОИЗМЕЛЬЧЕНИЯ

Полезная модель относится измерительной технике, может быть использована для измерения деформаций при статическом и динамическом испытании ответственных валов приводов строительных, дорожных, других машин и механизмов, а также испытательных стендов, в которых исследуемый вал подвержен кручению под воздействием разных по величине крутящих моментов, приложенных к его нижней и верхней части с последующим определением мощности в устройствах, имеющих замкнутый контур.
Известна установка для экспериментальных исследований строительных конструкций (патент на полезную модель RU №75239, G01N 3/00, 2008 г.), которая может быть использована при однократном динамическом нагружении конструкции. Она содержит копровую установку, включающую грузосбрасыватель с испытательным грузом, исследуемый объект с установленными первичными преобразователями измерительной информации: датчики опорных реакций, датчики силы, тензорезисторы, датчики деформаций, месдозы и датчики линейных перемещений. Информация с датчиков поступает непосредственно на измерительную систему. Установка для экспериментальных исследований позволяет обеспечить испытания конструкции при действии однократного динамического нагружения. Однако данное техническое решение не позволяет оценить деформации исследуемой металлоконструкции строительно-дорожной машины в процессе статических или динамических испытаний ввиду ее больших габаритов.
Известно также тензометрическое устройство для измерения деформаций бетона железобетонных конструкций, реализованное в патенте на полезную модель RU №76118, G01B 7/16, 2008 г.
Устройство содержит тензодатчик, в состав которого входят рабочий и компенсационный тензорезисторы, накрытые сверху термоизоляционной крышкой и соединенные через многожильный кабель с многоканальной измерительной системой по полумостовой схеме. Каждый тензорезистор состоит из чувствительного элемента в виде решетки, приклеенной на диэлектрическую основу. Выводы решетки, согнутые в виде гармошки, спаяны с выводами изолированных проводов, а в месте спайки изолированная подложка. Рабочий тензорезистор в прототипе закреплен с помощью клея непосредственно на исследуемой железобетонной конструкции. Компенсационный тензорезистор наклеен на металлическую подложку, которая, в свою очередь, наклеена на диэлектрическую подкладку, а последняя - на бетон исследуемого образца. Поскольку компенсационный тензарезистор не связан непосредственно с исследуемой конструкцией, исключается влияние температуры на результаты измерения деформаций бетона железобетонной конструкции и повышается достоверность полученных результатов. Однако подготовка к измерениям деформаций конструкции с помощью устройства по прототипу имеет ряд сложностей при испытании громоздких строительных машин, поскольку надо наклеить рабочий тензорезистор на исследуемую металлоконструкцию с припаянными выводами многожильного кабеля, что не позволяет осуществить проверку работоспособности системы в лабораторных условиях.
Использование подобного тензометрического устройства в составе многоканальной измерительной системы не обеспечит для металлоконструкций эффективного технологического процесса по подготовке и проведению испытаний. При установке тензометрического устройства на металлоконструкцию, на тензометрическое устройство более значительно воздействуют климатические погодные условия, в частности: влажность, перепады температуры, осадки, в сравнении с прототипом и, как следствие, ухудшается качество наклеивания тензорезистора на исследуемой металлоконструкции и, в итоге - качество измерения. Кроме того, затруднены работы по монтажу и проверке качества установки датчика на металлоконструкцию, которая в общем случае, представляет собой крупногабаритную многометровую строительно-дорожную машину.
Наиболее близким, принятым за прототип является полезная модель №101811 «Многоканальная тензометрическая система для статических или динамических испытаний», Заявка: 2010140385/28, 01.10.2010; опубл. 27.01.2011 Бюл. №3.
В отличие от полезной модели №76118 эта система содержит дополнительные тензодатчики, подключенные по полумостовой схеме к соответствующим каналам многоканальной измерительной системы и выполненные аналогично первому тензодатчику, и дополнительно содержит разъемы, посредством которых изолированные провода тензодатчиков соединены с многожильным кабелем. Каждый тензодатчик снабжен металлической пластиной, которая жестко, с помощью контактной сварки, закреплена на металлоконструкции, а рабочий тензорезистор наклеен на эту металлическую пластину, причем металлическая подложка компенсационного тензорезистора закреплена в корпусе соответствующего разъема, место спайки выводов решетки и изолированных проводов в каждом тензодатчике и металлические пластины, на которые наклеены рабочие тензорезисторы, гидроизолированы. В качестве многоканальной измерительной системы использован измерительный комплекс MIC-400, а металлическая подложка компенсационного тензорезистора закреплена в корпусе соответствующего разъема с помощью двухстороннего скотча, а для обеспечения гидроизоляции пластины покрыты слоем гидроизоляционного клея.
Недостатком измерительных схем с использованием элементов тензометрии заключается в необходимости размещения измерительного тензометрического узла на вращающемся вале с последующим съемом полученной информации (контактным или неконтактным) способом, что связано с техническим трудностями и не позволяет обеспечить точность и постоянство при измерении необходимых параметров процесса.
Задача полезной модели - оценить деформацию исследуемой детали - вала приводного двигателя, имеющего два выходных конца и подверженного деформации (скручиванию) в продольном сечении, повысить точность измерения при передаче крутящего момента от приводного двигателя к измельчаемому материалу по ветвям замкнутого контура, выполненных с кинематическим несоответствием относительно друг друга.
Технический результат заключается в повышении эффективности оценки деформаций вала приводного двигателя путем измерения величины разности углов скручивания его концов для последующего определения мощности в замкнутом контуре мельницы динамического самоизмельчения без использования для этих целей тензодатчиков, тензорезисторов, соединительных многожильных кабелей и мостовых схем.
Задача решена следующим образом.
Стенд для измерения мощности в замкнутом контуре мельницы динамического самоизмельчения путем измерения разности углов скручивания концов вала приводного двигателя содержит раму, приводной двигатель, установочные пластины, соединительные кабели, разъемы, датчики угловых перемещений отличается тем, что верхний и нижний датчики угловых перемещений, смонтированные на раме и кронштейне с помощью винтовых соединений, жестко связаны с концами вала приводного двигателя, при этом передача и обработка сигнала о разности углов скручивания между этими концами производится с помощью электронно-вычислительного блока, определяющего величину этой разности.
На фиг. 1, 2, 3, 4 и 5 представлен стенд для измерения мощности в замкнутом контуре мельницы динамического самоизмельчения путем замера разности углов скручивания концов вала приводного двигателя.
Стенд для измерения мощности в замкнутом контуре мельницы динамического самоизмельчения, предназначенной для измельчения материала, содержит раму 1, на которой установлены с помощью болтовых соединений ось 4 и стойка 11. На оси 4 с помощью болтовых соединений смонтирован приводной двигатель 2, как на схеме (может быть бензиновый, дизельный, ветряной, паровой и др.).
На верхнем 5 и нижнем 6 конце вала приводного двигателя 2 жестко закреплены верхний 7 и нижний 8 ведущие шкивы привода чашеобразного ротора 3 и барабана 18. Верхний конец вала 5 э приводного двигателя 2 соединен с помощью верхней шпильки 22 с верхним датчиком угловых перемещений (энкодером) 17, присоединенного с помощью винтовых соединений 23 к раме 1. На оси 4 закреплен кронштейн 15, на котором смонтирован с помощью винтовых соединений нижний датчик угловых перемещений (энкодер) 16, соединенный с нижним концом вала 6 электродвигателя 2 с помощью нижней шпильки 21.
Барабан 18 смонтирован на стойке 11 с помощью верхнего 26 и дополнительного 28 подшипникового узла, размещенного в кожухе 27. К нижней поверхности кожуха 27 присоединена с помощью болтовых соединений верхняя крышка 29, служащая для защиты от проникновения в подшипниковые узлы 26 и 28 пылеобразных частиц, образующихся в результате измельчения кусков материла в полости барабана 18. Ведомый шкив привода барабана 25 присоединен с помощью болтовых соединений к барабану 18, а кожух 27 закреплен с помощью болтовых соединений к нижней поверхности ведомого шкива привода барабана 25. На ведомом шкиве привода барабана 25 равномерно выполнены четыре отверстия 14, служащие для загрузки исходного материала в барабан 18.
На нижней части стойки 11 с помощью нижнего подшипникового узла 13 и дистанционной втулки 19 смонтирован чашеобразный ротор 3. Для защиты нижнего подшипникового узла 13 от проникновения в него пылеобразных частиц, образующихся в результате измельчения загружаемых кусков исходного материала, на нижней части чашеобразного ротора 3 с помощью болтовых соединений смонтирована нижняя крышка 20, внутри которой установлен пыльник 10.
В нижней части барабана 18 выполнены выпускные отверстия 12, предназначенные для выпуска и аккумулирования достигшего оправленного размера частиц в приемном бункере 24.
На внешней поверхности чашеобразного ротора 3 жестко закреплен ведомый шкив 9 привода чашеобразного ротора 3.
Чашеобразный ротор 3 с помощью перегородок 33 равномерно разделен на шесть секторов (фиг. 2).
На чашеобразном роторе 3 жестко закреплен ведомый шкив его привода 9.
верх
нижн
Кинематические передачи привода чашеобразного ротора (нижняя ветвь) и привода барабана (верхняя ветвь) выполнены таким образом, что они не равны между собой, т.е. i/≠i. Это приведет к тому, крутящие моменты, подводимые к измельчаемому материалу по верхней и нижней ветви стенда для измерения мощности в замкнутом контуре мельницы динамического самоизмельчения, будут разными, что приведет к скручиванию вала приводного двигателя 2.
Корпус 34 датчика угловых перемещений 17 (энкодера) жестко закреплен на установочной пластине 35, которая с помощью винтовых соединений 23 присоединена к раме 7(фиг. 3).
Верхняя шпилька 22 нижним концом по резьбовой посадке жестко связана с верхним концом вала 5 электродвигателя 2, а своим верхним концом опирается через гайку и шайбу на втулку 38, смонтированную с помощью подшипникового узла 37 в корпусе верхнего датчика угловых перемещений 34. Это обеспечивает ее совместное вращение с определенной угловой скоростью при вращении вала электродвигателя 2 при его работе.
В прорези втулки 38 установлен диск 36 с делениями, каждое из которых однозначно определяет некоторый диапазон положений верхнего конца вала 5, и оптическое устройство 39 для считывания этих делений. Положение (угол поворота относительно некоторого исходного состояния) диска 36 кодируется путем чередования двух типов областей, отчетливо различимых при помощи специальных датчиков (для оптического энкодера это прозрачные и непрозрачные области). Диск абсолютного энкодера 36 разбивается на некоторое количество секторов (чаще всего, но не всегда, это количество является степенью двойки). Сектора разбиваются на концентрические дорожки, каждая из которых представляет один бит кодированного номера сектора (фиг. 4).
Считывание делений диска 36 осуществляется с помощью датчика Холла 39, установленного внутри корпуса 34 и может производиться различными способами: механическими контактами (которые размыкаются лепестками на диске), оптическими датчиками (в этом случае диск состоит из чередующихся прозрачных и непрозрачных областей, если считывание производится на просвет, либо отражающих и неотражающих областей, если считывание производится в отраженном свете), магнитными датчиками (например, Холла), электромагнитными и т.п.
Аналогично обеспечивается соединение нижнего датчика угловых перемещений 16, смонтированного на кронштейне 15, который закреплен на оси 4. При этом нижний датчик угловых перемещений 16 соединен с нижним концом вала 6 электродвигателя 2 с помощью нижней шпильки 21.
Верхний 17 и нижний 16 датчики соединены с помощью кабеля с электронно-вычислительным блоком 30(К522). Запитывание электронно-вычислительного блока 30 осуществляется от блока питания (БП) 22 с помощью кабелей.
Электронно-вычислительный блок 30 связан с помощью кабелей с ЭВМ-32, на экран которой выводятся замеряемые параметры процесса.
бар
рот
В электронно-вычислительном блоке 30 (К522) с помощью специальной программы производится одновременное фиксирование мгновенного числа оборотов верхнего 5 нижнего 6 конца вала приводного двигателя 2 при передаче разных по величине крутящих моментов по нижней и верхней ветвям замкнутого контура мельницы динамического самоизмельчения. Это приводит к тому, что верхний 5 и нижний 6 концы вала приводного двигателя 2 при схеме передачи крутящего момента (М и М от приводного двигателя 2 к чашеобразному ротору 3 и барабану 18, когда передаточные отношения не равны между собой, будут совершать разное число оборотов за фиксированный период времени (фиг. 5).
зк
Это приведет к неодинаковой величине скручивания верхнего 5 и нижнего 6 конца вала приводного двигателя 2 относительно первоначального (исходного) положения (фиг. 5). Разность углов скручивания концов вала электродвигателя Δϕ будет определять мгновенную мощность, возникающую в замкнутом контуре машины - N.
дв
На дисплей электронно-вычислительного блока 30 выводится информация о направлении счета первого (нижнего) 16 и второго (верхнего) 17 датчиков угловых перемещений, количество подсчитанных импульсов, разность показаний углов скручивания концов вала электродвигателя Δϕ, число оборотов двигателя - n
i
i
В этот же период производится фиксирование силы тока I и напряжения U. Зафиксированные результаты измерения выводятся на экран ЭВМ 32.
На стенде для измерения мощности в замкнутом контуре для измерения мощности в замкнутом контуре мельницы динамического самоизмельчения используется методика косвенного измерения мощности, основанная на вычислении выражения:
зк
N=Mi⋅kmap⋅ωI,
тар
где k - коэффициент тарировки вала электродвигателя, связывающий истинный крутящий момент и момент от скручивания концов вала 5 и 6 приводного двигателя 2 в i-й момент времени;
i
M - крутящий момент, необходимый для скручивания вала приводного двигателя на определенную величину, определяемую разностью скручивание верхнего и нижнего конца;
i
ω - угловая скорость вала приводного двигателя 2 в i-й момент времени.
Разностью углов скручивания верхнего 5 и нижнего 6 концов вала приводного двигателя Δϕ вычисляется в электронно-вычислительном блоке 30 (К522), как разность показаний датчиков 16 и 17 между углами поворота нижнего 5 верхнего и 6 концов вала приводного двигателя 2.
Стенд для измерения мощности в замкнутом контуре мельницы динамического самоизмельчения работает следующим образом.
i
i
3кi
нижн
верх
Первоначально исходный материал загружается через отверстия 14 в барабан 18. После этого включают блок питания 31, электронно-вычислительный блок 30 и ЭВМ 31, на экран которой выводятся показания угловых скоростей нижнего 16 и верхнего 17 датчиков угловых перемещений, силы тока I напряжения U, и мощности замкнутого контура N, которая будет определяться разностью углов скручивания концов вала электродвигателя - Δϕ=ϕ-ϕ), полученной в результате производства необходимых вычислений.
После этого включают приводного двигатель 2, от которого его крутящий момент через ведущие шкивы 7 и 8, ведомые шкивы 9 и 25 передается соответственно на чашеобразный ротор 3 и барабан 18.
При включении приводного двигателя 2 куски измельчаемого материала, находящиеся в полости чашеобразного ротора 3, начинают перемещаться к ее периферии под действием центробежной силы, одновременно прижимаясь к радиальным перегородкам 33, и, попав в активную зону, измельчаются за счет ударов, скалывания и истирания. Частицы материала, соразмерные с размерами боковых отверстий 12, выполненных в боковой стенке барабана 18, выводятся за счет центробежной силы через эти отверстия, и попадает в приемный бункер 24. Частицы материала крупнее размеров отверстий 12 в боковой поверхности барабан 18 совершают в нем движение по восходящей винтовой линии и далее вместе с исходным кусковым материалом и частично измельченным ранее опускаются в рабочую зону полости чашеобразного ротора 3. При этом из-за разных передаточных отношений нижней и верхней ветвей замкнутого контура происходит накопление и отставание за каждый оборот их угловых скоростей. Ввиду этого отставания формируется кинематическое несоответствие вращения барабана 18 и чашеобразного ротора 3. Из-за кинематического несоответствия появляется возможность использовать для разрушения кусков и частиц так называемую «циркулирующую» мощность, возникающую в замкнутом контуре стенда для измерения мощности в замкнутом контуре мельницы динамического самоизмельчения.
При этом мощность в замкнутом контуре стенда будет превышать мощность на валу приводного двигателя 2, что приводит к возникновению дополнительного напряжения в кусках материала, попавшего в зону контакта восходящих частиц, находящихся в чашеобразном роторе 3, и других, опускающихся вниз под действием собственного веса к границе соприкосновения их с рабочей поверхностью чашеобразного ротора 3. Этим обеспечивается измельчение соприкасающихся кусков материала с повышенным контактным напряжением при интенсивном их перемешивании.
После этого цикла процесс повторяется в такой же последовательности. Далее рабочий процесс многократно повторяется до достижения требуемой степени измельчения, вывода и аккумулирования в приемном бункере 24 измельченного материала, через боковые отверстия 12, выполненные в чашеобразном роторе 3.
При этом электронно-вычислительный блок 30 постоянно обеспечивает съем информации, полученной в результате происходящего процесса измельчения и его передачу на экран ЭВМ 32.
Таким образом, за счет технических особенностей объекта исследования, использования современных датчиков угловых перемещений (энкодеров), смонтированных на неподвижной раме, упрощается снятие сигнала исследуемых параметров процесса и повышается достоверность результатов измерения мощности в замкнутом контуре мельницы динамического самоизмельчения путем измерения разности углов скручивания концов вала приводного двигателя - Δϕ.