THE EFFECTIVENESS OF A SHOCK POWER SENSOR WITH ADDITIONAL DESIGN ELEMENTS

Определение физической величины ударной силы, как одного из видов силовой динамической нагрузки, имеющимися на рынке средствами измерения является одной из главных задач. Существующие современные устройства для определения скорости и энергии при ударе позволяют с различной степенью точности провести измерения. Каждое из таких устройств имеет ряд преимуществ в сравнении с аналогами, а также недостатки и определенные условия их применения [1], [2], [3]. В различных отраслях промышленности нашли широкое применение тензорезисторы, индукционные, фото- и магнитоупругие датчики. Применяемые методы и средства измерения позволяют прямым измерением зарегистрировать физическую величину, впоследствии, применяя косвенный метод, на основе полученных показаний путем вычислений по уравнению, будет получена искомая величина, связанная с регистрируемыми показаниями [10, С.28-32]. Среди известных способов измерения параметров удара можно выделить методы: шариковых отпечатков, дифференцирования кривой перемещения, измерений посредством снятия индикаторной диаграммы, индикации мерного участка пути и другие. Если при этом проводить многократные измерения, то значительно повысится точность исследуемых показателей.

В качестве исследуемого избран индукционный датчик ударной скорости машин, принцип работы которого заключается в следующем: под воздействием удара бойка крышка (3) приходит в движение, в момент отрыва происходит размыкание электрической цепи датчика, что влечет за собой изменение магнитного потока в магнитопроводе и наведение в измерительной обмотке электродвижущей силы, величина которой находится в прямой зависимости от скорости движения бойка и, соответственно, энергии удара. Крышка отрывается от корпуса (1), внутри которого соосно штоку (2) расположены электромагнитная катушка с обмоткой и кольцеобразный магнит. Упругий элемент подпружинивает шток, а также возвращает крышку на исходную позицию после удара. В корпусе датчика имеется отверстие, через которое выведен изолированный провод для присоединения к регистрирующему устройству. Использование постоянного магнита позволяет обеспечивать стабильное магнитное поле, а, благодаря изоляции измерительной обмотки катушки, защиту самого датчика от воздействия внешних переменных полей [3], [4, C. 301-307]. Экспериментально установлено, что показания измерений, полученные с помощью данного датчика, достоверны с высокой степенью точности. На рисунке 1 показаны устройство и внешний вид датчика.

В процессе исследования установлено, что при ударе работа силы отрыва крышки датчика от корпуса находится в пропорциональной зависимости от величины сигнала датчика. В результате удара возникающая электромагнитная сила притяжения в измерительной катушке преобразуется в электрический сигнал датчика, так как в момент размыкания магнитной цепи магнитопровода происходит возникновение максимальных электрических сигналов в измерительной обмотке датчика [6, C. 227-234].

Рисунок 1 - Датчик ударной скорости:

1- корпус; 2 – шток; 3 – крышка

DOI:10.23670/IRJ.2022.122.71.1

ЭДС сигнала, возникающая в результате разрыва замкнутой системы в момент отрыва крышки датчика, зависит от величины ударной скорости, которая меняется от нескольких сотен милливольт до нескольких вольт. Для проведения измерений величины напряжения в заданном диапазоне необходим прибор, обладающий высокой чувствительностью. По характеристикам подходит импульсный осциллограф с возможностью регистрации сигнала продолжительностью до 10-6 с, что дает возможность по показанию прибора провести тарировку датчика ударной скорости с наибольшей степенью точности.

Для получения стабильности сигнала и уменьшения погрешности при снятии показаний приборов было предложено исследовать такой важный фактор, как качество контактирующих поверхностей крышки и корпуса датчика [7], [8, C. 29-35], [11, C. 18-20]. Качество поверхностного слоя включает в себя следующие характеристики: квалитет точности и шероховатость поверхности. Чем выше квалитет точности и меньше высота микронеровностей сопрягаемых поверхностей, тем меньше усилий потребуется для того, чтобы совершить отрыв крышки от корпуса в момент удара, то есть, исследовать тот факт, что микронеровности контактируемых поверхностей, увеличивают коэффициент трения, по причине «сцепления» выступов одной из поверхностей с впадинами второй.

С этой целью между крышкой и корпусом датчика были дополнительно установлены поочередно прокладки толщиной 0,58 мм и 0,09 мм из полиэтилена.

При проведении данных исследований предложено изучить влияние массы бойка в равнозначных условиях и уставить зависимость как влияет дополнительный элемент – прокладка между крышкой и корпусом датчика на регистрируемые показатели.

Результаты исследований представлены на рисунках 2, 3, 4 и 5.

Рисунок 2 - График зависимости напряжения от скорости удара

Примечание: толщина прокладки 0,09 мм

DOI:10.23670/IRJ.2022.122.71.6

Рисунок 3 - График зависимости напряжения от скорости удара

Примечание: толщина прокладки 0,58 мм

DOI:10.23670/IRJ.2022.122.71.7

Рисунок 4 - График зависимости напряжения от скорости бойка в зависимости от наличия или отсутствия прокладок между корпусом и крышкой

Примечание: при массе бойка 0,6 кг

DOI:10.23670/IRJ.2022.122.71.8

Рисунок 5 - График зависимости напряжения от скорости бойка в зависимости от наличия или отсутствия прокладок между корпусом и крышкой

Примечание: при массе бойка 0,3 кг

DOI:10.23670/IRJ.2022.122.71.9

Как видно из графиков (рис. 2 и 3) масса бойка влияет на величину ударной силы при наличии прокладок. При этом, независимо от толщины прокладки регистрирующим устройством зафиксированы значительно отличающиеся показания напряжения для бойка массой 0,3 кг и массой 0,6 кг при скорости свыше 3 м/с, вследствие наличия отскока. Данное явление получило широкое применение в строительстве, медицине, горной промышленности, машиностроении [7].

Из графиков (рис. 4 и 5) следует, что скорость бойка массой 0,3 кг незначительно отличается при наличии прокладки толщиной 0,6 мм и при ее отсутствии. При наличии прокладки толщиной 0,09 мм осциллограф регистрирует значительно отличающиеся от показаний ударной силы без прокладки или с прокладкой толщиной 0,58 мм.

При исследовании влияния толщины прокладки для бойка массой 0,6 кг было выявлено, что при толщине прокладки из полиэтилена до 0,1 мм показания ударной силы незначительно отличаются от тех, что были получены до введения в конструкцию датчика прокладки (рис. 4).

Прокладка толщиной от 0,5 мм позволяет достигнуть стабильности в показаниях регистрирующего устройства, физическая величина которых дает возможность повысить коэффициент полезного действия корпуса отдачи корпуса конструкции. Все имеющие место факторы были изучены: наличие прокладки, ее толщина, а также масса бойка оказывают влияние на показания датчика, что необходимо учитывать при проектировании ударного устройства [9].

Проведя анализ полученных опытным путем результатов, было установлено, что:

1. Ударные воздействия на датчик ударной силы оказывают негативное влияние на само устройство, ведущее в конечном итоге к его разрушению [5]. Наличие прокладки позволяет увеличить диапазон проведения измерений, увеличивает ресурс датчика.

2. Введение дополнительных элементов в конструкцию датчика в виде прокладок из полиэтилена между корпусом и крышкой приводит к уменьшению амплитуды сигнала.

3. Наличие прокладки из полиэтилена увеличивает стабильность показаний прибора. При этом, наибольшая стабильность отмечена при толщине прокладки от 0,5 мм, при толщине до 0,1 мм показания отличаются незначительно от тех, что были до введения прокладки в состав конструкции.

4. Величина массы бойка оказывает влияние на показания энергии:

- при массе бойка 0,6 кг отмечена стабильность показаний;

- при массе до 0,3 кг при ударной скорости примерно 5,6 м/с показания нестабильны.