1. Конструктивные особенности центробежного стенда

В качестве примера рассмотрим конструкцию центрифуги (рис. 4.1) для испытания электрогидравлических агрегатов бор­товых систем, таких, как гидроусилители. Платформа центрифуги 4 представляет собой сварную конструкцию, пред­назначенную для установки объекта испытания и противовесов 1. Специальные пазы на грузовой площадке 3 платформы позволя­ют производить крепление объекта испытания в различных поло­жениях, необходимых для испытания.

П ротивовес состоит из набора грузов в виде дисков, за­крепляемых болтом на грузовой площадке. Расположение гру­зов и их масса выбираются в зависимости от массы и положения объекта испыта­ния.

Кроме того, на плат­форме устанавливаются два силовых и два слаботочных клеммника, силовой и сла­боточный коллектор; внутри платформы размещаются трубопроводы гидро- и пневмосистем, электропроводки и различные датчики темпе­ратуры, давления и т.д.

Силовой электрический коллектор 7 предназначен для передачи электрической энергии на вращающуюся платформу для питания объекта испытания. Коллектор состоит из контактных колец и щеток. Для присоеди­нения проводов от изделия к силовому коллектору служит сило­вой клеммник.

Слаботочный коллектор предназначен для передачи электри­ческих сигналов датчиков с вращающейся площадки на регистри­рующие приборы, установленные в неподвижной части стенда; он также состоит из контактных колец и щеток. Для присоеди­нения проводов от датчиков к коллектору служит слаботочный клеммник.

Для уменьшения потери мощности на преодоление сопротив­ления воздуха противовесом и объектом испытания на платфор­ме установлены обтекатели, выполненные из листового алюми­ния.

Привод платформы состоит из гидродвигателя 6 я универ­сального регулятора скорости 5 (УРС), Вращение вала УРС производится электродвигателем мощностью с частотой вращения .

Рабочая частота вращения насоса гидропривода составляет , поэтому передача вращения от электродвигателя к гидроприводу осуществляется с помощью клиноременной переда­чи с передаточным числом

УРС представляет собой гидравлическое устройство, пред­назначенное для бесступенчатого регулирования угловой скорости, причем диапазон регулирования равен . Изменение частоты вращения гидродвигателя производится изме­нением угла наклона чашки насоса.

Редуктор служит для передачи вращения платформе от гидро­привода с помощью двух конических шестерен. Вертикальный вал редуктора 8 полый, что позволяет провести внутри него трубы гидро- и пневмосистем.

Для передачи жидкости с давлением через вращающийся вал к испытываемому агрегату и отвода от него жидкости с малым давлением служат гидравлические кол­лекторы 9, 10.

Электрические сигналы можно передать от вращающихся датчиков к неподвижным измерительным приборам контактным и бесконтактным способами. В первом случае используют токосъемное устройство (токосъемник), обеспечивающее передачу электрического сигнала с вращающихся деталей на неподвиж­ные. Во втором случае электрический сигнал передается с по­мощью индукционных или емкостных токосъемных устройств, а также радиотелеметрическими методами.

Токосъемники для контактного снятия электрических сигна­лов могут иметь различные принципы действия.

Различают щеточные, ртутные, игольчатые, шариковые или роликовые токосъемники. Игольчатые, шариковые и роликовые токосъемники при­меняют редко.

Наиболее широкое распространение получили щеточные токо­съемники, которые достаточно просты в эксплуатации, допуска­ют снятие сигналов с большого числа датчиков и высокую час­тоту вращения (до 330 Гц и выше). Но щеточные токосъемни­ки имеют существенные недостатки. Главные из них - возникно­вение значительных паразитных ЭДС в контактной паре и так называемого переходного сопротивления в зоне скольжения, ко­торое возрастает по мере увеличения скорости вращения и мо­жет изменяться по значению даже в процессе установившегося режима работы. Кроме того, щетки и кольца изнашиваются в процессе эксплуатации, что ограничивает ресурс их работы, а качество работы скользящих контактных пар зависит от внеш­них условий (температуры, вибрации, ударов). Однако к настоя­щему времени благодаря конструктивному совершенствованию щеточных токосъемников, правильному выбору материалов для трущихся пар, использованию стабилизирующих систем удалось существенно уменьшить влияние контактных процессов на пере­даваемые сигналы и обеспечить приемлемую точность их измерения. Заметим, что для установки щеточного токосъемника не­обходимо иметь свободный конец вращающегося вала центрифуги.

В щеточном токосъемнике (рис. 4.2) электрический сигнал передается от вращающегося вместе с валом кольца 1, соеди­ненного электрическим проводом с датчиком, к щетке 2, кото­рая через щеткодержатель 3 крепится к траверсе 4, выполнен­ной из изоляционного материала. Щетка прижимается к кольцу пружиной 5, которая соединена с измерительным прибором с помощью провода. В токосъемнике имеется как минимум две пары кольцо - щетка, но их число может доходить до несколь­ких десятков.

Для ртутных токосъемников характерны малые переходные сопротивления , для их привода необходимы небольшие мощности. Однако при большой скорости вращения ртуть переходит во взвешенное состояние, что приводит к не­устойчивости электрического контакта. Ртутные токосъемники имеют и другие недостатки: после непродолжительного хранения происходит "прихват" дисков, сопровождающийся повреждением амальгамы, которой покрыты контактирующие поверхности. Это явление часто выводит токосъемник из строя. Ядовитость паров ртути заставляет усложнять уплотняющие устройства и прини­мать специальные меры, гарантирующие безопасность обслужи­вающего персонала. Все это ограничивает применение таких токосъемников.

Из возможных конструктивных схем ртутных токосъемни­ков наибольшее признание получил камерно-дисковый ртутный токосъемник, схема которого, показана на рис, 4.3. Три шай­бы 2, выполненные из изоляционного материала, стянуты бол­тами со стальными цилиндрическими проставками 3 и вместе с ними образуют две рабочие камеры 4, через центральную часть которых проходит вращающийся вал. На валу закреплены два диска 5, электроизолированные от вала и соединенные про­водами 7 с датчиком, В камеры 4 заливают ртуть, которая во время работы токосъемника обеспечивает электрический кон­такт вращающихся дисков со стальными проставками 3, соеди­ненными проводами с неподвижной измерительной системой. Ка­меры 6 и 1 служат для изоляции рабочих камер от корпуса.

Бесконтактные способы передачи электрических сигналов свободны от помех, возникающих в зоне контакта при скольже­нии или качении и искажающих передаваемый сигнал, но доста­точно сложны в конструктивном оформлении, менее надежны из-за их чувствительности к внешним электрическим и магнит­ным полям.

Рассмотрим систему передачи информации от первичного преобразователя до контрольно-измерительной аппаратуры.

Токосъемники относятся в настоящее время к нестандарт­ным элементам измерительных систем, поэтому их конструкции весьма разнообразны. На рис 4.4 дана конструктивная схема токосъемника ИТТФ АН УССР.

Вал токосъемника установлен на двух шариковых подшип­никах. С одной стороны вала (на рис. 4.4 справа) имеется по­садочное место для соединения через муфту с валом вращающе­гося объекта, а с другой стороны расположена муфта 2 с клеммником, к элементам которого припаивают провода от датчиков электрических сигналов, расположенных на вращающемся объек­те, и медные провода 3 от контактных колец 6. Медные кон­тактные кольца отделены от вала изоляционными втулками. Медно-графитовые втулки 7 установлены на двух плоских основани­ях и медными проводами соединены со штепсельным разъемом 1. Щетки прижимаются к кольцам с помощью изолированных от них поршеньков 5, которые подвергаются воздействию сжатого воз­духа через эластичную диафрагму 4, Оптимальные усилия прижа­тия щеток достигаются при давлении воздуха в камерах 8, рав­ном

Температурная стабилизация контактных поверхностей до­стигается обдувом их подогретым воздухом.

При наиболее часто используемой двухпроводной системе измерения число обслуживаемых датчиков в два раза меньше числа контактных колец. Поэтому число токосъемных пар час­то оказывается меньше числа датчиков. Для увеличения числа датчиков, с которых можно передать информацию на неподвиж­ные приборы в течение одного эксперимента, возможны два пути: можно последовательно установить несколько токосъем­ников или использовать один токосъемник совместно с токо-коммутатором, который имеет позиций и соответственно в раз увеличивает число датчиков, обслуживаемых токосъем­ником.

Токосъемники со скользящими контактами вносят дополни­тельные погрешности в измерительную цепь. При использовании в качестве датчиков термометров сопротивления и тензодатчиков основные погрешности обусловлены переходным сопротивле­нием. При непосредственном измерении термопарных токов су­щественные погрешности вносят переходные сопротивления и контактная ЭДС, а при компенсационном методе измерения -только контактная ЭДС.

Пульсационный характер изменения переходного сопротив­ления затрудняет учет вносимой им погрешности, В этом слу­чае из общего сопротивления, удобно выделить некоторое усредненное значение и оценить возможные случайные отклонения от него , т,е,

Значение определяется для конкретных условий работы токосъемника как среднеарифметическое его максимального и минимального значений. Результаты испытания представляют в виде зависимости от времени для конкретного режима ра­боты, а чаще - в виде зависимости от скорости вращения с учетом температурных условий в зоне контакта.

На рис, 4.5 показаны характеристики двух близких по кон­структивному оформлению токосъемников, из которых один рабо­тает без температурной стабилизации зоны контакта (1), а второй - с температурной стабилизацией (2). Как видно из ри­сунка, температурная стабилизация снижает переходное сопро­тивление и отклонение его случайных изменений от средней ве­личины.

П ри питании датчика от внешних источников тока ЭДС мо­жет быть всегда выбрана такой, чтобы контактная ЭДС была по сравнению с ней пренебрежимо малой. Когда датчик генери­рует измеряемый ток, контактная ЭДС вносят погрешности, ко­торые необходимо принимать во внимание при обработке резуль­татов эксперимента.

Для учета погрешностей, вносимых в измерения контакт­ной ЭДС, из последней выделяют переменную составляющую и на основе испытания токосъемника строят зависимости этой составляющей ЭДС от скорости скольжения и температурных условий в зоне контакта. Эти графики используют при оценке погрешности измере­ния, обусловленной контакт­ной ЭДС.

Непосредственная пере­дача давления с вращающе­гося объекта на неподвиж­ные измеряющие приборы может быть осуществлена с помощью передатчиков дав­ления со скользящим уплот­нением между вращающимися и неподвижными деталями и компенсационным методом, в котором уплотнение хоть и имеется, но качество его ра­боты не отражается на точ­ности измерения.

Давление обычно измеряют во многих точках вращающего­ся объекта. Поэтому передатчики давления со скользящим уплот­нением делают с несколькими автономными уплотнениями или с одним уплотнением, через которое последовательно передает­ся информация от многих точек измерения; последовательное подключение трубок от датчиков давления к узлу уплотнения осуществляется переключающим устройством.

Многоточечные передатчики давления надежно работают толь­ко при небольшой частоте вращения. При большой частоте враще­ния наиболее целесообразной оказывается конструкция передат­чика давления, имеющего узел уплотнения с небольшим диамет­ром поверхности скольжения. Конструктивная схема этого агре­гата показана на рис. 4.6.

Передатчик давления имеет вал 10, смонтированный в под­шипниках 7, которые установлены в корпусе 8. Через муфту ко­нец вала 21 соединяется с вращающимся валом изучаемого объ­екта, а на противоположном конце вала смонтирован узел уплот­нения. Уплотнение образовано шаром 9, запрессованным в конец вала, и графитовым кольцом 6, запрессованным в неподвижную втулку 4, Графитовое кольцо прижимается к шару пружиной 3.

Переключающее устройство состоит из распределительного диска 20, жестко связанного с валом, и избирательного диска 19, На распределительном диске имеется 33 отверстия со штуцерами 18, к которым присоединяют трубки, передающие ин­формацию о давлении в месте его измерения. В избирательном диске есть углубление, которое через систему отверстий 17 соединено с внутренней полостью вала и через уплотнение - со штуцером 5, присоединенным к измерительному прибору. Изби­рательный и распределительный диски имеют контакт по при­тертым плоскостям, что позволяет герметизировать канал в зо­не распределительного устройства, Избирательный диск прижи­мается к распределительному пружиной.

Для последовательного подключения штуцеров 18 в тракте передающего устройства имеется сервомеханизм, управляемый сжатым воздухом. При подаче сжатого воздуха под поршень 2 сервомеханизм переместится влево и через штанги 12 и упор­ный подшипник 15 после прохождения зазора переместит влево втулку 14, В этом случае штифт 13 обеспечивает осевое перемещение втулки 14, а штифт 16, жестко связанный с этой втулкой, через систему плоских пружин поворачивает избира­тельный диск на один шаг, После выпуска воздуха пружины 11 и 1 возвращают детали в исходное положение.

Описанный передатчик давления испытывался до частоты вращения с избыточным давлением . Принципиальная схема передатчика давления с компенсационным методом измерения показана на рис. 4.7.

Основной элемент передатчика давления - сравнивающее устрой­ство 3, которое представляет собой камеру, разделенную на две полости гибкой мембраной. Камера вращается вместе с ис­следуемым объектом. В одну из ее полостей по трубке 1 под­водится измеряемое давление, а во вторую - компенсирующее давление от баллона 5, которое регулируется вентилем 4 и из­меряется манометром 6; неподвижный зонд манометра введен во вращающуюся полость сравнивающего устройства. В тракте компенсирующего воздуха имеется уплотнение, утечка воздуха в котором не отражается на измеряемом давлении в безрасходной полости.

В каждой из полостей сравнивающего устройства имеется пара контактов, которые при нейтральном положении мембраны находятся в разомкнутом состоянии. При отклонении мембраны от равновесного положения замыкается одна из пар контактов, при этом ток от источника 11 через скользящие контакты 2 по­дается в реле 10 сигнального устройства 12. Реле зажигает одну из ламп 8 или 9, имеющих источник питания 7.

При измерении давления на вращающихся объектах с исполь­зованием передатчиков давления возникает погрешность, обусловленная действием центробежных сил, при отличии радиусов, на которых расположены точки измерения давления и на которых вращающийся трубопровод переходит в неподвижный» Точка из­мерения давления располагается обычно на большем радиусе, чем точка перехода подвижного трубопровода в неподвижный, поэтому действительное давление на радиусе оказывается больше, чем замеренное давление на радиусе , на перепад давления , обусловленный центробежными силами, т.е.

На произвольном радиусе вращающегося канала условие равновесия среды выражается равенством

г де - давление; - плотность среды; - угловая скорость вращения канала.

Из (4.3) следует, что

При небольшой частоте вращения можно принять и тогда

При большой частоте вращения в изотермических условиях из (4.4) получается

где - газовая постоянная находящегося в трубопроводе газа.

При произвольном изменении температуры величина может быть найдена численным интегрированием уравнения (4.4).

Для измерения частоты вращения наибольшее распростране­ние получили тахометры: часовые, магнитные, индукционные, электрические, импульсные, стробоскопические,

Выбор метода измерения частоты вращения и типа тахомет­ра зависит от мощности и конструктивного исполнения центри­фуги, диапазона частоты вращения и требуемой точности изме­рения, При измерении частоты вращения ручными тахометрами вращающийся вал должен иметь открытый торец, в центровое от­верстие которого вводят и легко прижимают резиновый наконечник валика тахометра, Благодаря контактному трению вращение передается измерительному прибору.

Индукционный электрический тахометр состоит из двух час­тей: тaxогенератора, который механически стыкуется с валом центрифуги, воспринимая ее вращение, и измерительного прибо­ра-указателя частоты вращения, Тахогенератор и измеритель соединены электрической линией связи и обеспечивают дистанционность измерения и непрерывность наблюдения за частотой вращения.

И ндукционные электрические тахометры бывают постоянно­го и переменного тока. Тахометры с тахогенераторами перемен­ного тока не имеют скользящих электрических контактов и по­этому более надежны. Синхронный тахогенератор представляет собой микромашину с ротором-индуктором, возбуждаемым по­стоянным магнитом. При вращении возбужденного ротора в якорной обмотке, расположенной на статоре, индуктируется ЭДС, значение и частота которой зависят от частоты вращения ро­тора:

(4.7)

где - число витков в якорной обмотке;, - обмоточный коэффициент; - магнитный поток; - число пар полюсов.

В качестве измерителя может быть использован вольтметр, частотомер или комбинированный индукционный преобразователь-измеритель. Схема с вольтметром проста, но не дает высокой точности измерения (до 5%). Использование в качестве измери­теля электронного цифрового частотометра обеспечивает доста­точно высокую точность (до 0,5%),

На рис. 4.8 показана принципиальная схема магнитоиндукционного тахометра. Указатель 1 типа ИСТ устанавливают на пульте, а первичный преобразователь подсоединяют к валу центрифуги.

При вращении ротора преобразователя 8 в обмотке стато­ра 7 вырабатывается трехфазный ток с частотой, пропорцио­нальной частоте вращения. Электродвигатель указателя 9 с обмоткой статора 6 вращает магнитный узел 10, состоящий из двух плат с запрессованными в них постоянными магнита­ми и диска 5. При вращении магнитного узла в диске 5 по­являются вихревые токи, взаимодействие которых с магнитным полем приводит к возникновению крутящего момента, пропор­ционального частоте вращения, который отклоняет стрелку 2 указывающего прибора. При отсутствии момента спиральная пружина 4 возвращает стрелку на нулевую отметку шкалы 1, Магнитный демпфер 11 с алюминиевым диском 3 служит для устранения колебаний стрелки. При измерении частоты вращения тахометр обеспечивает точность 0,3%. Им­пульсный тахометр состоит из преобразователя, поз­воляющего вырабатывать электрические импульсы, час­тота которых пропорциональна частоте вращения вала центри­фуги и электронного счетчика импульсов за определенный про­межуток времени. Широкое применение получили импульсные тахометры с бесконтактными индукционными или фотоэлектри­ческими преобразователями и с цифровым электронным часто­томером в качестве измерителя.

Индукционный преобразователь представляет собой элек­тронное реле индукционного принципа действия, В качестве ин­дукционного преобразователя можно использовать бесконтакт­ные электронные концевые выключатели (рис, 4,9). На валу центрифуги закрепляют тонкий зубчатый диск-индуктор, выпол­ненный из электротехнической стали толщиной .Диск своими зубцами свободно проходит в щели индукционного пре­образователя, который питается стабилизированным напряжени­ем 24 В. При вращении вала зубцы диска изменяют индуктив­ность катушек преобразователя, на входе которого возникают импульсы определенной амплитуды. Частота импульсов зависит от числа зубцов диска и частоты вращения вала :

На рис, 4.10 представлена другая схема импульсного частотомера. На валу центрифуги устанавливается диск 1 с одним, чаше двумя (из условий обеспечения балансировки) маг­нитными элементами 3, а на корпусе 2 в той же плоскости индукционный преобразователь, состоящий из сердечника 4 и обмотки 5. При прохождении магнитного элемента вблизи сер­дечника в обмотках наводится импульс ЭДС, Частота следова­ния этих импульсов пропорциональна скорости вращения вала центрифуги. Простота схемы измерения и отсутствие внешнего энергоснабжения делают эту схему удобной для практического применения. Погрешность определения скорости вращения на установившемся режиме не превышает .

Для создания импульсов электрического тока, определяю­щих частоту вращения, можно использовать токосъемник, в ко­тором одно из контактных колец делается разрезным. Отсутст­вующая часть кольца заменена электрическим изолятором, при контакте которого со щеткой ток прерывается.

При невозможности подключения датчика электрического тахометра к валу центрифуги можно использовать фотоэлектри­ческий и стробоскопический тахометры.

Одна из возможных схем импульсного фотоэлектрического тахометра представлена на рис. 4.11, В качестве источника света применяют обычно лампы накаливания с фокусирующей оптикой 1. На контролируемом объекте закрепляют одно или несколько зеркал 2, которые в определенных положениях объ­екта направляют свет на фотоэлемент 3. Ток с фотоэлемента усиливается и поступает на частотомер или счетчик импульсов 4, с помощью которого и определяется частота вращения.

Стробоскопический тахометр (стробоскоп) является бес­контактным измерителем частоты вращения. Он не создает противодействующих усилий при измерениях, не оказывает влия­ния на работу испытуемых объектов. Принцип действия стробо­скопа основан на стробоскопическом эффекте. Вращающаяся де­таль освещается импульсной лампой, частота импульсов кото­рой контролируется, при совпадении частоты световых импуль­сов с частотой вращения деталь кажется неподвижной.

Стробоскопы (рис. 4.12) состоят из выпрямительного бло­ка питания 1, генератора импульсов 2, измерителя 3 и газо­наполненной импульсной лампы 4. Частоту импульсов генерато­ра можно плавно регулировать в пределах . Парал­лельно лампе включен конденсатор . При положительных импульсах, поступающих через импульсный трансформатор 5 и конденсатор от генератора на управляющую сетку, лампа открывается и конденсатор разряжается на лампу, зажигая ее на . , Для измерения частоты вращения на видимой части вала делают метку 6 и направляют свет лампы на вра­щающийся вал. Плавно регулируя частоту мигания лампы от наибольшей к наименьшей, добиваются первого единичного не­подвижного положения метки. Частоту отсчитывают по шкале прибора.