Измерительный преобразователь лабораторного стенда для испытания рабочих органов специальных машин аэродромно-технического обеспечения

Введение. Для выполнения программы «Социально-экономическое развитие Арктической зоны Российской Федерации на период до 2020 года», утвержденной постановлением правительства [1], необходимо реализовать стратегию [2], согласно которой предусмотрена интеграция Арктической зоны с основными районами России посредством освоения и разработки месторождений углеводородов, цветных и драгоценных металлов, формирования современных транспортно-логистических узлов и опорной сети автомобильных дорог, развития, реконструкции и модернизации аэропортовой сети.

Это повлечет за собой необходимость содержания вновь построенных и реконструированных автомобильных дорог и аэродромов в зимний период, длительность 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). Известны несколько способов борьбы со СЛО: химикомеханический [3], фрикционный, тепловой, механический. Последний способ позволяет разрушать и удалять СЛО с дорожных покрытий, не нанося вреда окружающей среде, а также экономить на химических реагентах, топливе и сохранять целостность дорожного полотна. Это закрепляет за механическим способом первенство в разработке и проектировании новых рабочих органов специальных машин.

Однако существует ниша, в которой данный способ является малоэффективным – это удаление прочных снежно-ледяных образований (ПСЛО), что обусловлено их физико-механическими свойствами: плотность ρ = 0,6–0,9 г/см³; предел прочности на сжатие σ = 2,5–2,8 МПа; толщина слоя h ≤ 100 мм; температура исследуемой среды -2...-10 ° C. Существующие рабочие органы или не приспособлены для их разрушения, или делают это малоэффективно. Для повышения производительности и снижения энергоемкости при удалении ПСЛО предложено применение дискового режущего инструмента [4–6]. Однако с применением дискового режущего инструмента встает вопрос создания высокоэффективных рабочих органов, на стадии проектирования которых необходимо знать силовые параметры. Величина их зависит от множества факторов, например, таких как скорость резания, геометрические параметры инструмента, температура окружающей среды и разрушаемого материала, степень износа, обусловленная величиной радиуса закругления рабочей кромки.

Условия проведения эксперимента. Для более объективного изучения процесса взаимодействия дискового инструмента с ПСЛО предлагается контро- лировать три составляющие силы резания: горизонтальную, боковую и вертикальную. Контроль непосредственно на рабочем органе малоэффективен, так как требует больших трудозатрат и дорогостоящего оборудования (датчики силы, оснастка для их монтажа); 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 различными инструментами, целесообразно исследовать процесс взаимодействия полноразмерного дискового режущего инструмента (рис. 1), имеющего различный радиус закругления рабочей кромки, с разрушаемым массивом путем стендовых испытаний в лабораторных условиях.

Во время проведения экспериментальных исследований использовались дисковые резцы с различным радиусом закругления рабочей кромки R = [0,5; 1,5; 2,5; 3,5; 4,5] мм. Данный диапазон значений обусловлен результатами исследований изнашивания режущей кромки, проведенными в работе [8]. Скорость резания 0,51 м/c (1,84 км/ч). Температура окружающего воздуха -2^-7 ° C. Остальные параметры дискового режущего инструмента приняты следующими: диаметр D = 200 мм, угол заострения 5 = 30 ° ; глубина резания h = 60 мм; шаг резания t = [10; 20; 30; 40; 50] мм; задний угол у = 3 ° -5 ° ; материал - термообработанная сталь 40ХН (HRC 52–54) [11]. Для проведения эксперимента использовался механизированный лабораторный стенд, описанный в работе [12], конструкция которого защищена патентом на изобретение № 2429459 [13]. Для фиксирования и записи информации применен измерительный комплекс, описанный в статье [14].

Тензометрический измерительный элемент . Тензометрическая балка представляет собой тонкостенный цилиндр (рис. 2) с прямоугольным основанием, 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 полумостовых (мостовых) схем. Такое размещение тензо-резисторов способствует и повышению общей чувствительности 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 чувствительностью, тензорезистор R 1 включён в первое плечо измерительного моста, а R 2 – в четвёртое.

Такая схема позволяет обеспечить избирательную чувствительность тензометрического моста к деформации изгиба, возникающей вследствие действия боковой составляющей приложенного усилия, и не чувствительна к деформации растяжения-сжатия, возникающей вследствие действия вертикальной составляющей. Для боковой составляющей используется схема включения тензорезисторов, аналогичная приведённой выше. Тензорезистор R 5 включён в первое плечо измерительного моста, а R 6 – в четвёртое. Для измерения вертикальной составляющей диаметрально расположенные тензорезисторы R 7 и R 9 необходимо включить в одно плечо полумоста. Во второе плечо включаются компенсационные тензорезисторы R ₈ и R ₁₀. Все схемы включения обеспечивают термокомпенсацию и компенсацию сопротивления соединительных проводов.

Тарирование тензометрического элемента . Для тарирования тензометрического элемента, описанного выше, применяется стенд, конструкция которого защищена патентом на изобретение № 2500983 [15], позволяющий закреплять элемент в различных пространственных положения и, соответственно, создавать требуемый вектор нагрузки. Тарирование производилось с помощью одного измерительного прибора для всех составляющих – динамометра растяжения ДПУ-5-2 5033 второго класса точности. Для нагружения элемента использовался талреп и вспомогательная оснастка.

Нагрузка элемента осуществлялась ступенчато, с шагом 500 Н, до предельного значения в 2 500 Н. Разгрузка 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 постоянная величина для каждой из ступеней. Для графика боковой и вертикальной составляющей однозначно прослеживается «нулевое» значение, что в свою очередь подтверждает правильность наклейки тензорезисторов и утверждение об исключении взаимного влияния различных составляющих друг на друга. Диаграммы переходных процессов при тарировании боковой и горизонтальной составляющей усилия резания аналогичны приведенной выше.

Для сопоставления значения напряжения к приложенному усилию исходные данные поблочно (один блок длительностью 2 с) подвергались обработке, результаты которой приведены в таблице.

Благодаря данным результатам удалось построить графическую зависимость (рис. 4), отражающую отношение значения составляющих силы, прилагаемой к тензометрическому элементу, и напряжения, полученного с тензометрического усилителя.

Из графиков отчетливо видна линейная зависимость горизонтальной, боковой и вертикальной составляющей усилия резания от напряжения. Для каждого 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 составляющей 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 тарировании 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 преобразователя является одним из важнейших факторов успешности проведения экспериментальных лабораторных исследований. Известно, что на показания тензометрического элемента может оказывать влияние множество различных переменных факторов, например, электромагнитные поля, сопротивление проводов, температура окружающей среды и т. д. Выявление таких влияний на этапе тарирования позволяет или полностью их устранить (например, изменением конструкции тензометрического элемента), или заложить их учет в тарировочные коэффициенты. Это, в свою очередь, сказывается на данных, полученных в ходе экспериментальных исследований. Тарирование следует проводить перед каждой серией опытов. Также перед каждым тарированием рекомендуется проводить тренировку измерительного преобразователя загрузкой и разгрузкой несколько раз, без фиксации получаемых данных. Это обеспечит наибольшую достоверность получаемых данных. Также в процессе тарирования измерительного преобразователя могут быть выявлены сбои в его работе, поломки, что позволит своевременно их устранить и обеспечить целостность экспериментальных данных.