/
Author: Кац С.М.
Tags: инженерия машиностроение двигатели механизмы инженерное дело серия библиотека по автоматике
Year: 1962
Text
ЗИБЛИОТЕКА ПО АВТОМАТИКЕ
Выпуск 65
С, М; КАЦ
ЗАЛАНСИРНЫЕ ДИНАМ.аМЕТРЫ
ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ
ВРАЩАЮЩЕГО МОМЕНТА
ГОСУДАРСТВЕННОЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ ИЗДАТЕЛЬСТВО
МОСКВА 1952 ЛЕНИНГРАД
Редакционная кол.легия:
И. В. Антик, А. И. Бертинов, С. Н. Вешеневский, В. С. Куле-
бакин, В. Э. Низе, В. С. Малов, А. Д. Смирнов, Б. С. Сотсков
ЭЭ.5(4)-3
В книге дается материал .по расчету и кон-
струированию балансирных динамометров, приме-
няющихся для измерения вращающего момента
при испытаниях различных двигателей и меха-
низмов. Рассматриваются основные типы и харак-
теристики тормозных устройств. Даются сведения
по расчету и конструированию механических,
гидравлических и пневматических силоизмери-
тельных систем, 'применяющихся для измерения
момента на балансирных динамометрах.
Книга предназначена для инженерно-техниче-
ских работников, занимающихся исследованием
и испытанием двигателей и механизмов.
6П2.15 Кац Самуил Михайлович
К 30 Балансирные динамометры для измерения вращающего
момента, М.—Л., Госэнергоиздат, 1962, 144 с. с черт.
(Библиотека по автоматике, вып. 65)
6П2.15
Редактор Л. Б. Евангулов Техн. редактор Я. А. Булъдяев
Сдано в набор 30/VI 1962 г. Подписано к печати 27/IX 1962 г.
Т-11916 Бумага 84x108752 7.38 п. л. Уч.-изд. л. 9,7
Тираж 15 000 экз. Цена 49 коп. Заказ 2447
Типография Госэнергоиздата. Москва, Шлюзовая наб., 10.
ВВЕДЕНИЕ
Измерение мощности, развиваемой двигателем или потребляе-
мой каким-либо механизмом, является актуальной инженерной зада-
чей. Потребность в таких измерениях существует во многих отра-
слях отечественной промышленности.
Измерение мощности сводится к измерению вращающего мо-
мента и скорости вращения вала машины. В данной работе рас-
сматривается техника измерения вращающего момента и в первую
очередь образующей его силы.
В целом область измерительных устройств, предназначенных
для измерения вращающих моментов на валу испытываемой маши-
ны, включает четыре типа динамометров: приводные, редукторные,
тормозные и крутильные динамометры.
Приводным динамометрОхМ называется устройство, состоя-
щее из двигателя электричеокого или внутреннего сгорания, который
приводит во вращение испытываемый объект и установлен на ба-
лансирнюй раме. Реактивный вращающий момент на корпусе двига-
теля, равный моменту на входном валу испытываемого объекта, пе-
редается на балансирную раму и стремится повернуть ее в направ-
лении, обратном вращению вала.
Тормозные динамометры служат для поглощения и измере-
ния мощности, развиваемой испытываемым двигателем. Силы взаи-
модействия (гидравлические, электрические, механические) между
ротором тормоза и статором стремятся повернуть последний в на-
правлении вращения вала.
Редукторный динамометр не развивает и не поглощает
мощность. Обычно он представляет собой шестеренчатый редуктор
с балансирным корпусом, на который действует момент, равный
разнице между моментами на входном и выходном валах.
Крутильные динамометры, так же как и редукторные, уста-
навливаются между двигателем и ведомой машиной, но в отличие
от редукторных измеряют передаваемый вращающий момент без
энергетических потерь; крутильный динамометр можно представить
себе в виде муфты, соединяющей два изделия так, что усилия, дей-
ствующие в муфте, могут быть измерены.
Таким образом, первые три типа динамометров, наиболее рас-
пространенные, состоят из тормозной или приводной машины (или
редуктора) и собственно измерительного устройства. Принципиаль-
но важным элементом этих динамометров является подвижной
(«балансирный») статор или рама, вращающий момент на которой
измеряется обычно с помощью силоизмерителей, ирисоединяемых
к раме на некотором расстоянии от ее оси. По этому признаку
3
эти три типа динамометров мол<но объединить лод общим назва-
нием «балансирные динамометр ы».
Принцип действия этих динамометров связан с преобразованием
энергии (в тормозных и приводных) и вращающего момента (в ре-
дукторлых), и этим они отличаются ют крутильных динамометров,
в кото|рых энергия и измеряемый вращающий момент не претерпе-
вают изменений. Поскольку техника (измерения вращающих момен-
тов в крутильных динамометрах (преимущественно по углу скрутки
вращающегося вала) существенно отличается от методов, применяе-
мых в тормозных и других динамометрах, и характеризуется чрез-
вычайно большим разнообразием, она в данной работе не рассмат-
ривается.
ГЛАВА ПЕРВАЯ
КЛАССИФИКАЦИЯ И ХАРАКТЕРИСТИКИ
БАЛАНСИРНЫХ ДИНАМОМЕТРОВ
1. Механофрикционные тормозные динамометры
Эти то,рмо'за, несмотря на целый ряд недостатко1в, ввиду их
простоты все еще применяются для испытания тихоходных мало-
мощных двигателей. К нагрузочному чугунному шкиву, соединен-
ному с валом испытываемого двигателя, прижимаются с помощью
регулировочных натяжных пружин фрикционные детали, в качестве
которых применяются прографиченные веревки, медноасбестовые
ленты, стальные ленты, обшитые феродо, деревянные колодки с алю-
миниевыми или асбестовыми подкладками. Механическая работа
преобразуется в тепло, которое снимается охлаждающей водой, по-
даваемой на внутреннюю сторону тормозного шкива. По опытным
данным, для обеспечения отвода тепла размеры тормозного шкива
выбираются так, чтобы мощность, выделяющаяся в виде тепла на
1 сл(2 проекции площади трения на диаметральную плоскость, не
превышала: 0,5 кГ - м/сек при охлаждении воздухом; 2,5—при
охлаждении водой; 5,0 —при большой скорости и малом удельном
давлении; 20,0—при применении медноасбестовых лент. Вращаю-
щий момент, создаваемый фрикционным устройством, измеряется
с помощью присоединенного к нему плеча с навешиваемым и
подвижным грузами либо любым другим силоизмерителем.
Существенным недостатком многих механофрикционных тормо-
зов является плохая стабильность их работы из-за колебаний коэф-
фициента трения, что вызывает необходимость непрерывно регули-
ровать нажим фрикционных деталей. Этот недостаток в значитель-
ной степени смягчен в тормозах, снабженных механизмом саморе-
гулирования тормозного момента.
2. Гидравлические тормозные динамометры
Из всех видов тормозных устройств гидравлические тормоза
в настоящее время получили наибольшее распространение. Удобство
регулирования и хорошая устойчивость, быстроходность и возмож-
ность поглощения большой мощности в одном агрегате — таковы
преимущества гидротормозов перед тормозами трения.
4
По сравнению с электрическими тормозами они характеризуют-
ся меньшими габаритами и стоимостью и большим диапазоном
поглощаемой мощности.
Поглощение мощности в гидротормозе происходит либо вслед-
ствие гидродинамической работы, затрачиваемой на перемещение
жидкости, либо вследствие трения ротора о жидкость. В реальных
конструкциях тормозов обычно сочетаются в различных пропорциях
оба вида торможения.
Действие большинства гидротормозов основано на сопротивле-
нии жидкости перемещению вращающегося в ней ротора. При вра-
щении ротора движущаяся вместе с ним жидкость передает полу-
ченную от ротора энергию на неподвижную стенку балансирно под-
вешенного статора и стремится как бы увлечь его за собой, созда-
вая на корпусе статора момент, измеряемый тем или иным силоиз-
мерительным устройством. Изменение нагрузки достигается боль-
шим или меньшим заполнением статора водой либо изменением
величины активной поверхности ротора.
В качестве рабочей жидкости обычно применяют воду ввиду ее
большой теплоемкости, постоянства вязкости при переменных тем-
пературах и дешевизны. Иногда применяется масло с повышенной
вязкостью, благодаря чему удается получение большей тормозной
мощности.
Все разнообразные конструкции гидротормозов можно свести
к пяти основным типам (см. табл. 1).
Дисковые гидротормоза
Дисковый гидротормоз состоит из одного или нескольких поса-
женных на вал дисков, которые вращаются между неподвижными
дисками, прикрепленными к кожуху.
Тормоза с гладкими дисками применяются в основном при ис-
пыгании быстроходных двигателей. Наибольшая достижимая окруж-
ная скорость, приближающаяся у этого типа тормозов к скорости
звука, ограничивается прочностью материала ротора. Тормозная
мощность дисковых тормозов может быть определена по прибли-
женной формуле
где п —скорость вращения, об/мин;
D —диаметр диска, м;
/С — коэффициент тормоза, который может быть принят равным
0,3 для гладкого диска.
Пример монструкции мощного быстроходного тормоза с глад-
кими дисками показан на рис. 1.
На рис. 2 дана типичная тормозная диаграмма гидротормоза.
При полностью заполненном рабочей жидкостью тормозе с увели-
чением числа оборотов тормозная мощность возрастает по парабо-
лической кривой 0/4, показатель степени которой от 2,5 до 3 (в за-
висимости от количества протекающей воды). Точка Л характери-
зует допустимый предел нагрузки (наибольший тормозной момент),
а точка С — предельное число оборотов. Точка D соответствует
5
Таблица свойств балан
Аэродинамические:
а) мулинеточные
б) многолопастные с подвиж-
ным кожухом
в) авиационные винты
сирных динамометров
Таблица 1
Характеристики выполненных
конструкций
Пределы
мощности,
л. с.
Диапазон
скорости,
об1мин
Возможная
ошибка изме-
рения, %
Особенности
2 000—5 ООО
600
500
500
5 000
До 3 ООО
1—2
До 2 000
1—5
До 3 ООО
1—3
До 3 ООО
До 3 ООО
1—3
0,5—1
Мощность не поглощают и
не создают
Требуется высокий к. п. д.
редуктора
Обычно встроены непосред-
ственно в испытываемый дви-
гатель
Плохое постоянство тормоз-
ного момента, удовлетвори-
тельное ---с механизмами само-
регулирования момента. Отсут-
ствие саморегулирования ско-
рости вращения. Номинальный
момент на всем диапазоне ско-
ростей. Большая простота кон-
струкции
Хорошая устойчивость ско-
рости вращения. Изменение на-
грузки только при останове
двигателя. Большая простота
конструкции
Допускают регулирование
нагрузки при работе
Разделение собственно тор-
мозной и измерительной функ-
ций
Гидравлические
А. Дисковые:
а) с гладкими дисками
б) с перфорированными дис-
ками
в) с наклонным диском
Б. Лопастные
В. Штифтовые
Продолжение табл. t
Характеристики выполненных
конструкций
Особенности
Пределы
мощности,
л. с.
Диапазон
скорости,
об/мин
Возможная
ошибка изме-
рения, %
Хорошая устойчивость ско-
рости вращения. Малые габари-
ты. Удобство регулирования.
Заниженный тормозной момент
при малых скоростях враще-
ния. Трудность получения не-
больших моментов при высоких
скоростях вращения
^ = ^(ioo) ^•
15 000
500—60 ООО
0,1—0,2
k = 0,2—0,3
10 000
70 ООО
До 15 000
200—400
0,1-0,2
0,1-0.2
;fe = 2,0-2,5
3 000
.150—2 ООО
0,5—1,0
k = 6-25
3 000
250
До 500
До 5 000
0,2—0,5
Недостаточная устойчивость
работы вследствие вибрации
штифтов
в) с „разрезным" ротором
г) гидрофрикционные (с внеш
невращающимся ротором)
Д. С масляной пленкой
10
продолжение табл. 1
Характеристики выполненных
конструкций
Пределы
мощности,
л. с.
Диапазон
скорости,
об/мин
Возможная
ошибка изме-
рения, %
Особенности
17 000
60 ООО
30 ООО
25 ООО
350
10 000
0,1—2 ООО
До 100
До 6 000
170—360
До 8 500
2 500—8 000
До 45 ООО
575—1 100
До 10 000
До 40 ООО
(возможно
до 100 000)
0,1—0,2
0,1—0,2
0,1—0,2
0,1-0,2
k = 3oVd
k=\OOV"D
Большая глубина регулиро-
вания тормозного момента с
помощью шиберов
Большая мощность при вы-
сокой скорости вращения и
низкой скорости воды
Меньшие размеры по сравне-
нию с обычной схемой. Увели-
чение регулировочной области
(на малых скоростях) за счет
фрикционного торможения
11
Е. Объемные
Электрические:
А. Постоянного тока
Б.* Переменного тока
В. Индукторные
12
Продолжение табл. /
Характеристики выполненных
конструкций
Пределы
мощности,
л. с.
Диапазон
скорости,
об/мин
Возможная
ошибка изме-
рения, %
Особенности
100
30 ООО
300
10 000
4 000
До 3 000
750—4 ООО
До 6 000
0,5—1,0
0,1—0,2
0,2—0,5
5 000-10 0001
До 16 000
0,1-0,2
Возможность использования
серийных (шестеренчатых) на-
сосов
Моторный и генераторный
режимы. Хорошая характерис-
тика (большой вращающий мо-
мент). Высокие стоимость и га-
бариты
Моторный и генераторный ре-
жимы. Пониженный момент при
низких скоростях. Высокая
стоимость. Сложность всей сис-
темы
Отсутствие моторной мощ-
ности. Пониженный вращающий
момент при низких скоростях.
Малые габариты и стоимость.
Простота, малое количество
вспомогательного оборудова-
ния
13
1^ П 1^
14
наименьшей возможной тормозной мощности, которая создается наи-
меньшим допустимым водяным 'КОЛЬЦОМ, а также трением в под
шипниках и сопротивлением воздуха. Теоретически тормоз может
быть установлен на любую точку в указанных на диаграмме пре-
делах путем регулирования подвода и отвода воды. Наиболее бла-
гоприятной для регулирования и точности измерения момента яв-
ляется средняя часть поля диаграммы мощности.
Рис. 2. Сравнительная характеристика
тормозных динамометров.
Оа BCD—механо Ьрикционный; Ос ABCD—
гидравлический; Ob ЛВС!)'— электрический;
Od BCD' — индукторный.
В ДИСКОВЫХ гидротормозах применяются различные способы
регулирования наполнения тррмоза водой, т. е. регулирования тор-
мозного момента. Наиболее простой из них — изменение количества
поступающей в тормоз воды или дросселирование ее на сливе.
Дисковые тормоза с рифленой поверхностью дают значительно
больший тормозной эффект (k^2,^) по сравнению с соразмер-
ными тормозами с гладкими дисками, но ограничены по
скорости вращения. В СССР ряд модификаций таких тор-
мозов создан Л. Б. Евангуловым в МАИ [Л. 17]. В целях увели-
чения тормозного эффекта диски ротора в них перфорированы, т. е.
снабжены большим числом отверстий, а диски статора имеют ячеис-
тые углубления. Степень заполнения статора водой регулируется
вращающимися золотниками и краном притока воды. Каждый
золотник имеет на обращенной к дискам стороне окно для приема
воды из тормоза. При вращении золотника выпускное окно переме-
шается относительно оси тормоза и устанавливает необходимый
уровень протекающей воды.
Тормоза с наклонным диском (типа Ранци). Эти тормоза обла-
дают высокой энергоемкостью. Для увеличения тормозного эффекта
внутренняя поверхность балансирного корпуса имеет продольные и
поперечные ребра.
16
Тормоз с масляной пленкой
В этом типе тормоза, обладающем наивысшей быстроходно-
стью, мощность поглощается за счет сдвига масляной пленки в под-
шипнике скольжения при окружной скорости до 150 м/сек. Вели-
чина поглощаемой мощности регулируется посредством осевого
сдвига подшипника вдоль шейки вала, изменяющего величину рабо--
чей площади вала, а также регулированием количества масла,
проходящего через подшипник.
Лопастные гидротормоза
Они отличаются тем, что к дискам и к внутренней стороне ста-
тора прикрепляются несколько радиально расположенных лопастей
шириной 5—10 мм. Как показали исследования [Л. 73], лопастные
тормоза (диаметром до 600 мм) обладают значительно большим
тормозным эффектом но сравнению с перфорированными дисками.
Коэффициент тормоза достигает k = 6—25, но допустимая скорость
резко снижается.
Штифтовые гидротормоза (типа Юнкерса)
В них ротор представляет собой барабан, снабженный радиаль-
ными четырехпранными штифта'ми. Штифты цроходят между такими
же обращенными внутрь штифтами кожуха. Тормозная мощность
тормозов этого типа лимитируется допустимой окружной скоростью
(до 80 м/сек) и практически ограниченным по условиям прочности
числом рядов штифтов (от 2 до 8).
Применение штифтов служит причиной недостаточной устойчи-
вости режима работы, что ограничивает область использ)Ования этих
тормозов, несмотря на их компактность и сравнительную простоту
изготовления и эксплуатации.
Для устранения колебания тормозных штифтов в некоторых
типах тормозов среди ряда штифтов вставляется пластина, которая
значительно повышает момент инерции штифтов. Предельная окруж-
ная скорость при этом возрастает до 100—125 м/сек.
Камерные гидротормоза (типа Фру да)
Ротор и статор в тормозе этого типа выполнены в виде обра-
щенных друг к другу полутороидальных впадин, которые равно-
мерно разделены на ковшеобразные ячейки прямыми или косыми
радиальными лопастями. Вода подается внутрь ячеек и при враще-
нии ротора захватывается им, направляется к периферии и оттуда
в неподвижную часть ячейки; при этом водяные вихри непрерывно
перерезаются кромками лопастей, на что расходуется основная
мощность торможения.
Камерные тормоза выполняются двух типов: реверсивные
(с прямыми лопастями) и нереверсивные (с косо поставленны.ми
лопастями под углом 15"^ против направления вращения). По дан-
ным фирмы тормозной коэффициент одной пары впадин с прямыми
лопастями при полном заполнении рабочих полосте^ принимается
равным ^ = 30/д а при косых лопастях ^=100/D-
Регулирование некоторых камерных гидротормозов осущест-
вляется путем изменения наполнения и количества проходящей
2 С. Щ. Кац. 17
воды. Но этот способ, регулирования имеет недостатки: влияние
колебании давления подачи воды, неустойчивость на малых режи-
мах, медленное реагирование. Для большинства конструкций камер-
ных гидротормозов наиболее эффективным оказался шиберный спо-
соб регулирования. В этом случае полости тормоза заполняются
водой полностью на всех режимах, а изменение сопротивления тор-
моза осуществляется задвижками — шиберами, которые вводятся
в зазор между роторОхМ и кожухом и, следовательно, экранируют
часть поверхности ротора.
Шиберный способ регулирования обеспечивает быстрое и плав-
ное изменение тормозного момента в 20—25 раз при постоянной
скорости вращения. Этот диапазон может быть расширен повыше-
нием давления воды на входе или изменением подачи при полно-
стью закрытых шиберах.
Устойчивая работа при малой загрузке достигается в тормозе,
состоящем из двух больших нереверсивных и одной малой ревер-
сивной камер. При испытании с малой камерой большие камеры
выклк'чаются.
Повышение -скорости вращения в обычных камерных тормозах
ограничивается чрезмерным ростом скорости воды ;и давления в кор-
пусе, в связи с чем увеличивается износ. Повышенной быстроходно-
стью обладают камерные тормоза с так называемым «разрезным»
ротором, в которых большая мощность при высокой скорости вра-
щения получается при достаточно низкой скорости воды. В таком
тормозе наружная периферийная часть ротора как бы отделена от
комлевой части и прикреплена в виде стационарной направляющей
без лопастей к статору (Л. 89].
Объемные гидротормоза
К этому типу относятся применяемые в качестве тормозных
динамометров гидравлические машины с вращательно- или поступа-
тельнодвижущимися рабочими органами, в которых тормозная
мощность затрачивается в основном на перемещение жидкости.
Примером может служить масляный тормоз, схема которого приве-
дена в табл. 1. Собственно тормоз представляет собой два парал-
лельно работающих шестеренчатых насоса, откачивающих и нагне-
тающих масло в резервуар. Шестерни насосов заключены в общем
балансирно подвешенном корпусе. Средняя шестерня—ведущая, она
соединяется с валом испытываемого двигателя. Необходимая на-
грузка на тормозе регулируется изменением дросселирования масла
в нагнетательном трубопроводе. Теория объемных тормозов изло-
жена в (Л. 10].
Комбинированные тормозные динамометры
Существенным недостатком гидротормозов является занижен-
ный тормозной момент при малых числах оборотов. Это следует из
рис. 2, тде приведены для сравнения тормозные диаграммы четырех
типов тормозов: механофрнкционного (Оа BCD), гидравлического
(Ос ABCD), электрического (Ob ABCD') и индукторного
(Od BCD'), имеющих одинаковые значения максимальной мош,ности
и момента. Видно, что при некотором числе оборотов ni предельная
мощность гидротормоза меньше, чем у остальных типов тормозов.
18
Мршимальная тормозная мощность нри высоких оборотах, которая
характеризуется точкой /), у гидротормозов, наоборот, выше, чем, на-
пример, у электрических машин.
Для устранения отмеченных недостатков гидротормозов создают-
ся конструкции комбинированных тидрофрикционных и гидроэлек-
трических тормозных установок.
Своеобразную конструкцию имеют гидрофрикционные тормоза
типа Шенк—Хеккер. Гидравлическая часть тормоза — камерного типа,
но в отличие от обычных схем с валом испытываемого двигателя
соединена внешне расположенная часть камер, а «рЪторная» часть
выполнена балансиркой. На внешнем вращающемся барабане-ко-
жухе помещен ленточный тормоз, съем тепла с которого производит-
ся водой, прокачиваемой через гидротормозные камеры. Благодаря
такой конструкции резко увеличивается рабочая диаграмма тормоза
при малых скоростях. Такой же результат может быть получен на
комбинированном гидроиндукторном тормозе.
Большое распространение находят электрогидравлические дина-
мометрические установки, в которых балансирная электромашина
относительно небольшой мощности (5—10% от мощности гидротор-
моза) нри работе в моторном режиме служит, например, для про-
крутки испытываемого двигателя в целях измерения мощности тре-
ния, а торможение двигателя может осуществляться одновременно
этой электромашиной и установленным в тандем с ней более мощ-
ным гидротормозом. При этом обеспечивается возможность точного
и удобного регулирования нагрузки изменением режима электриче-
ской машины, а гидротормозной части дают лишь грубую настрой-
ку. Регулировочная область здесь также расширяется: такая комби-
нированная установка имеет но сравнению с обычным гидротормо-
зом более высокий тормозной момент при малых числах оборотов
и дает устойчивые малые тормозные моменты на больших оборотах.
3. Аэродинамические тормоза
В этих тормозах мощность идет на сообщение движения и на
подогрев воздуха. Они особенно пригодны для испытания авиацион-
ных двигателей, так как создают естественные условия работы дви-
гателя (обдув воздухом, соответствие характера нагрузки от тормоза
нагрузке от винта). Собственно тормозной элемент (крыльчатка, му-
линетка или винт) соединяется с валом двигателя, который для
возможности замера момента устанавливается на балансирном
станке.
По форме тормозных характеристик (N=kn^) аэродинамические
тормоза подобны гидравлическим и поэтому также обладают хоро-
шей саморегулируемостью. Применяются три основных типа этих
тормозов:
а) Тормоз-мулинетка. Он состоит из пары стержней со втулкой,
закрепляемой на валу двигателя. К стержням на различных рас-
стояниях от оси вращения может прикрепляться разное количество
пластин — в зависимости от потребной величины тормозного момен-
та. Регулирование момента на ходу невозможно.
б) Авиационный винт (пропеллер), шаг которого может изме-
няться дистанционно (винты ВИШ), что дает возможность изменять
нагрузку во время испытания.
2* 19
6) Закрытые тормоза (типа Уокера). В них применяется мйого-
лопастная крыльчатка, окруженная кожухом, который может пере-
мещаться во время испытания в осевом направлении с помощью
дистанционного управления. Благодаря этому изменяется расход
воздуха через крыльчатку, а следовательно, и тормозная мощность
в достаточно широких пределах.
4. Электрические приводные и тормозные динамометры
Характерным для электрического двигателя является обрати-
мость. (Поэтому при балансирном выполнении его статора (или
в обычном исполнении, но с установкой машины на весовую раму)
он .может служить для измерения вращающего момента при работе
в качестве привода или тормоза. Исключением являются специаль-
ные электротормоза, в которых мощность рассеивается непосредст-
венно в машине.
По роду тока и исполнения машин различают электрические
динамометры постоянного и переменного тока и тормозные динамо-
метры индукторного типа.
Динамометры постоянного тока разделяются следующим обра-
зом:
1) Для установок большого диапазона регулирования скорости
(1:4—1:20) применяются машины с независимым возбуждением,
регулируемые посредством изменения напряжения в якоре.
2) Для ограниченной области плавного регулирования скорости
(1:2—^1:3) и сравнительно небольшой мощности могут быть при-
менены .машины постоянного тока, регулируемые посредством изме-
нения тока возбуждения.
3) Комбинация динамометра постоянного тока с шестеренчатым
редуктором, закрепленным на его балансирном статоре, дает воз-
можность испытать двигатель с числами оборотов, значительно
отличающимися от номинального диапазона скоростей электро,ма-
шины (особенно при применении редуктора с несколькими переда-
точными отношениями).
Динамометры переменного тока различаются по способу регу-
лирования:
1) Частотное регулирование. Для динамометров этого типа
применяются асинхронные машины, обычно с короткозамкнутым
ротором, питаемые от преобразователей частоты синхронного или
асинхронного типа. Плавное регулирование скорости динамометра
достигается изменением частоты преобразовательного агрегата. Ме-
ханическая хара.ктеристика такого рода приводов является доста-
точно жесткой, а глубина регулирования 1 : 4 и выше.
2) Регулирование реостатом в цепи ротора. Регулирование —
ступенчатое при применении металлических реостатов. Жидкостные
реостаты дают плавное регулирование, но они более сложны и не-
удобны в эксплуатации. Реостатное регулирование в двигательном
режиме применяется при небольшой глубине регулирования, что
объясняется большими потерями скольжения при снижении скоро-
сти двигателя.
3) Регулирование с помощью муфт скольжения. Такие динамо-
метрические системы 'весьма просты, позволяют осуществить авто-
матическое регулирование с высокой плавностью изменения на-
грузки и с возможностью форсирования.
20
Электродинамометры с рассеиванием энергии
Тормозные динамометры, непосредственно рассеивающие энергию
внутри, применяются обычно тогда, когда вырабатываемая испыты-
ваемым объектОаМ энергия сравнительно невелика, хотя мощность
в отдельные моменты времени 'может достигать больших значений.
К этому типу относятся динамометры:
а) индукторного типа с массивным или короткозамкнутым
якорем;
б) дисковые с явно выраженными полюсами;
в) магнитоэмульсионные.
Индукторные тормозные динамометры приме-
няются для 'большого диапазона регулирования скорости и момента.
Регулирование осуществляется за счет изменения тока возбуждения
динамометра. Механическая энергия, подводимая к валу динамо-
метра, преобразуется в электрическую, а последняя непосредственно
в якоре машины преобразуется в тепловую. В зависимости от мощ-
ности и длительности работы индукторные тормоза имеют воздуш-
ное или водяное охлаждение. Они позволяют просто осуществлять
автоматическое управление требуемым режимом работы установив-
шегося и переходного режима объекта.
В качестве примера рассмотрим устройство индукторного тор-
мозного динамометра, пригодного для измерения момента до
300 кГ' см (рис. 3). Он состоит из двух основных частей: ротора —
вращающегося четырехзубцового индуктора из стали Армко, соеди-
няемого с валом испытываемого двигателя, и статора — балансирно
подвешенного массивного сребренного якоря из стали Ст. 10,
в средней части которого помещена обмотка возбуждения. При
прохождении постоянного тока по катушке создается магнитный
поток. При вращении индуктора в поверхностном слое якоря появ.
ляются вихревые токи, наличие которых обусловливает противодей-
ствие вращению индуктора. Тормозной эффект получается тем
больше, чем больше н. с. катушки возбуждения. Индуктор посажен
на вал, который вращается на шарикоподшипниках в крышках ста-
тора. Статор подвешен на сферических шарикоподшипниках и имеет
возможность поворачиваться относительно оси вращения. Колебания
момента гасятся поршневым регулируемым масляным демпфером.
Вращающий момент на балансирном статоре уравновешивается и
измеряется маятниковым устройством, состоящим из привинченной
непосредственно к корпусу статора штанги со сменными диапазон-
ными грузами. Путем установки различных грузов обеспечиваются
диапазоны измерения 0—10, 0—80, 0—160 и 0—300 кГ - см. Наи-
больший угол отклонения корпуса с маятником составляет ±45°.
Шкала имеет в обе стороны по 100 делений. Охлаждающий воздух
подается под небольшим давлением в кожух снизу и выходит сверху
через канал в кожухе, параллельный оси тормоза.
Дисковые тормозные динамометры с явно
выраженными полюсами по регулировочным свойствам
аналогичны индукторным тормозам. Применяются в качестве тормо-
зов малой мощности с воздушным охлаждением. Размеры и вес
таких тормозов больше, чем у индукторных при равной мощности.
Тормозные динамометры магнитоэмуль с ион-
ного типа отличаются от вышеупомянутых меньшим диапазо-
ном регулирования, но более компактны.
21
5. Регулировочные свойства тормозных динамометров
Форма тормозной характеристики N=f{n) при неизменной вели-
чине регулирующего фактора (степень наполнения водой, положение
шибера, сила нажатия фрикционных колодок, ток в обмотке возбуж-
дения и т. п.) определяет регулировочные качества тормозного ди-
намометра.
Одно нз основных требованией, предъявляемых к тормозному
динамометру, состоит в поддержании стабильной скорости враще-
ния при различных случайных отклонениях момента двигателя или
тормоза. Это требование удовлетворяется тем лучше, чем круче
тормозная характеристика. Поэтому гидравлический тормоз, у кото-
рого при случайном увеличении числа оборотов на некоторую вели-
чину нагрузка сильно возрастает (Мт = /гя2), более устойчив, чем
электрические тормоза (Mr = kn). Механофрикционные тормоза, мо-
мент которых не зависит от скорости вращения, совершенно лишены
А 9
--Ш диапазон
-Д диапазон
^1 диапазон
Рис. 3. Индукторный
/ — индуктор; 2—вал; подшипники ротора; 4 и 5—крышки статора; 6 и 7—
статора; /2—поводок демпфера; 75—демпфер; И и /5—шестерни привода тахо
алюминиевые
22
Вир ь
Вид А
тормозной динамометр.
якорь; 5—обмотка возбуждения; 9 и 70—балансирные опоры; // — подшипники
метра; /5—грузовая штанга; 17, 18 и /^ — сменные диапазонные грузы; 20 н 21-^
кольца;
23
свойства саморегулирования и пригодны только для двигателей,
скорость которых контролируется регулятором.
Индукторные тормоза с .ручным реостатным регулированием
достаточно устойчивы лишь при испытаниях двигателей, работаю-
щих на крутой части его тормозной характеристики, или же при
испытании более быстроходных двигателей, обладающих собствен-
ной характеристикой, способной уменьшить скорость при увеличении
вращающего момента. Однако эти тормоза хорошо поддаются
управлению с помощью электронной системы, которая (с помощью
соединенного с тормозом тахогенератора) может придать динамо-
метру характеристику постоянной скорости или иную — по любому
заданному закону. Таким же образом с помощью дополнительных
датчиков может быть осуществлено программное регулирование
(скорости вращения, нагрузки и т. д.), так как в этих тормозах из-
менение режима происходит очень быстро. Например, может быть
осуществлено автоматическое поддержание режима M=€onst с по-
мощью фотоэлементного датчика, посылающего сигнал в систему
регулирования тока в обмотке возбуждения при отклонении рычага
с уравновешивающей пружиной или грузом от «.нулевого» равновес-
ного положения.
6. Редукторные динамометры
По форме выполнения эти динамометры разделяются на две
группы.
К первой группе относятся редукторы с балансирно подвижным
корпусом. В качестве динамометра может быть использован шесте-
м2
Щ1_
п
Рис. 4. Редукторный балансирный динамометр с параллельными
осями.
репчатый редуктор с соосными или параллельными входным и вы-
ходным валами, если в нем передаточное отношение не равно еди-
нице либо входной и выходной моменты имеют разные знаки. На
рис. 4 показана схема такого динамометра, применяемого для испы-
тания авиационных винтов в аэродинамических трубах.
На балансирный корпус любого редукторного динамометра
действует момент Мр, равный разнице между моментами на вход-
ном (Ml) и выходном валах (м2). Редуктор характеризуется своим
к. п. д. (ц), который в значительной степени определяет точность
24
измерения момента на выходе из двигателя или на входе ведомого
объекта:
^2 = Г^М,. (2)
где / — передаточное отношение редуктора. С целью исключения
(хотя бы частично) влияния ц на результаты измерения момента
проводится динамическое тарирование. Для этого редукторный
динамометр, вращаемый приводным двигателем, загружается гидро-
тормозом и при работе производятся одновременные измерения на
обоих динамометрах, причем показания гидротормоза (или иного
точного динамометра) принимаются за истинные.
Ко второй группе относятся редукторы, у которых одна из шес-
терен в целях измерения передаваемого ею момента имеет допол-
нительную степень свободы. Такие динамометрические устройства
нашли большое применение в авиационных поршневых и турбовин-
товых двигателях. В планетарном редукторе невращающаяся шес-
терня получает возможность углового или осевого смещения. Вра-
щающий момент на ней воспринимается и измеряется гидравличе-
скими или электрическими силоизмерителями.
7. Факторы, влияющие на точность балансирных динамометров
Точность измерения вращающего момента на балансирных ди-
намометрах зависит от двух групп факторов.
К первой группе относятся факторы, связанные с потерями
в опрокидывающем усилии статора, обусловленными конструкцией
самой балансирной машины, а именно:
а) конструкция балансирных опор;
б) трение о воздух вентилятора, муфт и вала;
в) способ подвода охлаждающей воды или воздуха, смазки и
электропитания;
г) способ соединения с балансирным статором тахометра, демп-
фера и других узлов с трущимися деталями.
Ко второй группе относятся факторы, обусловливающие точ-
ность собственно системы измерения вращающего момента:
а) метрологические свойства примененного силоизмерителя,
включая способ телепередачи и регистрации показаний, инерцион-
ность и грузоподъемность;
б) конструкция тарировочного устройства.
Конструкция балансирных опор имеет первостепенное значение
для точности измерения. Обычные опоры с подшипниками качения
или роликами часто оказываются слишком грубыми, поэтому полу-
чили развитие более совершенные типы опор: на упругих подвес-
ках, с контрвращающимися подшипниками, гидро- и аэростатические
опоры и др., которые подробно рассмотрены ,в гл. 5.
Подлежащий измерению вращающий момент (М) на валу ис-
пытываемого объекта уравновешивается не только внутренним
моментом (Мм), действующим между ротором и статором балан-
сирного тормоза или привода, но также моментом трения в под-
шипниках ротора и щетках (Afn), моментом трения о воздух вен-
тиляторов и соединительных муфт, вращающихся с валом (Мв),
и моментом трения в присоединенных к валу динамометра тахомет-
25
pax и .насосах (Мп). При удачном конструктивном выполнении
динамометра внешние моменты трения (Мв и Ми) могут (подобно
Мп) полностью передаваться на балансирный статор, и в этом слу-
чае ие вызовут дополнительной погрешности измерения момента М.
Для этого, например, датчик тахометра или тахогенератор закреп-
ляется непосредственно на балансирном статоре. Однако такое ус-
ловие иногда 1ВЫполняется лишь частично или вообще .моменты Мв
и Мн не передаются на балансирный статор.
Обозначим через часть момента трения о воздух, передаю-
щуюся на статор, и через'Л!^' — остальную часть, которая «усколь-
зает» от измерения.
При генераторном (тормозном) режиме момент на балансирном
статоре, измеряющийся силоизмерителем, будет равен:
Ми = Мм+Мп + М; + Л1н.
Остальная часть момента (М'^') будет причиной систематической
погрешности, которая 'может быть устранена только введением со-
ответствующей поправки. Для этого балансирную машину приводят
во вращение при отсутствии нагрузки и измеряют величину момента
в зависимости от скорости вращения:
м=Ми+м;'.
При двигательном режиме
Ми = Мм-(Мп + М;+М„)
и
м=Ми-м;'.
Таким образом, при генераторном режиме вентиляторная по-
правка М/ должна быть прибавлена к показаниям силоизмерителя,
а при двигательном — вычтена. Эта поправка вводится либо с по-
мощью небольшого специального груза, который перемещается по
градуированному в числах оборотов компенсационному рычагу, при-
крепленному к балансирному статору, либо по графику M'^'=f(n),
данные которого учитываются при обработке результатов измерения.
Нужно, кроме того, иметь в виду, что М^ зависит не только от
скорости вращения вала, но также и от плотности воздуха, давле-
ния и температуры, причем влияние этих факторов может быть
иногда до 10% (от М^'). Если Ми > М^', то влиянием воздуха можно
пренебречь. Однако в ряде случаев к оценке М'^ следует подходить
очень тщательно, например при измерении малой мощности на вы-
соких оборотах, когда М^' становится одного порядка с Ми.
Уменьшение влияния на измерение может быть достигнуто
с помощью выравнительных сопел в виде плоских лопаток, направ-
ляющих поток воздуха на входе и выходе машины в радиальном
или аксиальном направлении, вследствие чего момент М3' воспри-
нимается статором.
26
Многие балансирные машины имеют внешнее воздушное охлаж-
дение. В этом случае также, для исключения влияния на измерение
тангенциальной составляющей скорости охлаждающего воздуха,
необходимо, чтобы охлаждающий воздух вводился и отводился ак-
сиально или радиально. Точно такие же требования поедъявляют-
ся и к способу подвода охлаждающей воды и смазки. В тех слу-
чаях, где это возможно, особенно при «нулевых» методах измере-
ния, следует вместо 1резиновых шлангов применять металлические
трубы достаточной длины, обладающие меньшим гистерезисом.
Электрические подводы для увеличения точности измерения реко-
мендуется вводить через оплетенные упругие медные полоски; еще
ббльшую точность обеспечивают ртутные контакты.
Вращающий момент на балансирных динамометрах измеряется
большей частью с помощью рычажно-весовых, гидравлических и
реже — электрических силоизмерительных систем. Выбор системы
измерения вращающего момента в значительной степени обусловли-
вается мощностью динамометра (или испытываемого двигателя) и
требуемой точностью. При испытании мощных двигателей в связи
с невозможностью нахождения обслуживающего персонала вблизи
работающего двигателя и тормоза указатели силоизмерительных
систем должны находиться на достаточном расстоянии от испыты-
ваемого двигателя и, как правило, в другом помещении. По этим
же причинам весьма неудобны и измерительные системы с непосред-
ственным уравновешиванием измеряемого момента грузами на са-
мом тормозе. Для сокращения времени, требующегося на самый
процесс измерения, измерительная система должна быть с автома-
тическим уравновешиванием измеряемого усилия.
От современных балансирных динамометров требуется высокая
точность измерения вращающего момента. Приведенная погреш-
ность (|в процентах от наибольшего значения момента) должна
быть в пределах ± (0,2—0,5) %г—для обычных серийных испытаний
и ±(0,02—0,1)%—для испытательных установок научно-исследова-
тельских учреждений и опытно-конструкторских бюро. Особо высо-
кая точность измерения (до 0,02%) необходима .при измерении
к. п. д. двигателей, гидротурбин и насосов. Для измерения, напри-
мер, потерь на трение, которые являются лишь составной частью
.всех потерь в испытываемой машине, с точностью 1% необходимо,
чтобы точность измерения полного вращающего момента машины
была в 10—20 раз больше. Большая точность измерения вызывает
оотребность применения как высокоточных весовых головок квад-
рантного и рейтерного типов, компенсационных гидравлических
силоизмерителей с вращающихмися поршнями, так и специальных
средств (гидростатических и пневматических балансирных опор
и т. п.), служащих для уменьшения потерь в передаче измеряемого
усилия.
Для получения такой точности измерения вращающего момента
часто требуется также высокая степень стабилизации скорости вра-
щения, так как вращающий момент, например, у гидротормозов,
связан с числом оборотов зависи.мостью типа Л1вр = /Сп2. Уже
известны системы, обеспечивающие поддержание скорости с точно-
стью до 1 • 10-^
Точность измерения момента определяется целым рядом упомя-
нутых выше факторов, но решающим является собственно система
27
Характеристики и свой
Силоизмеритель
Наибольшее
измеряемое
усилие, кГ
Погрешность от
номинального зна-
чения шкалы, %
Измерительный ход,
мм
I. Меха
Рычажный с руч-
ной установкой
гирь
10 осо-
бо ООО
0,2-^0,5
Нулевая систе-
ма
Маятниковый ди-
намометр
0,01-^
10 000
1
Угол поворота^
балансирного ста-
тора 0,2—45°
Квадрантная ве-
совая головка
5—25 (без
рычажной
передачи)
0,1
5—35
//. Электро
Самоустанавли
вающийся весовой
элемент
15—500
(без рычаж-
ной переда-
чи)
0,05—0,1
Нулевая система
Электромагнит-
ный соленоидный
динамометр
0,01-5
0,2—0,5
0,01—0,2
28
ства силоизмерителей
Таблица 2
Размеры, мм
Измеряе-
Способ отсчета
Надеж-
Достоинства
мая часто-
ность
и недостатки
та, гц
нические
Очень боль-
шие
При грузо-
подъемности
10 Т: 2 210х
XI 620X300
—
По шкале под-
вижной гири
Очень
высокая
Простота кон-
струкции
Нет дистан-
ционной пере-
дачи показаний
Очень боль-
шие
0,1-0,2
Циферблатная
шкала, допускает
передачу показа-
ний сельсинами и
электрическими
датчиками
То же
Простота кон-
струкции и об-
служивания
Диаметр 600,
толщина 200
0,1-0,2
Циферблатная
или оптическая
шкала
Высокая
Изготавливает-
ся промышлен-
ностью. Труд-
ность телепере-
дачи показаний
из-за малой „ра-
ботоспособно-
сти"
механические
При грузо-
подъемности
33 кГ: 1 020х
х380х360
0,1-0,2
Цифровой счет-
чик, сельсинная
передача оборотов
ходового винта
Удовлет-
воритель-
ная
При грузо-
подъемности
5 кГ:
диаметр 120
высота 170
2-500
Любой электри-
ческий вторичный
прибор
Высокая
Высокая сто-
имость, требу-
ет значитель-
ного обслужи-
вания
Низкая грузо-
подъемность
29
Силоизмеритель
Наибольшее
измеряемое
усилие. кГ
Погрешность от
номинального зна-
чения шкалы, %
Измерительный ход,
мм
///. Упругие си
30
с винтовыми или
тарельчатыми пру-
жинами
С пневматиче-
ским датчиком
С потенциомет-
рическим датчи-
ком
С проволочными
тензодатчиками
С индуктивным
датчиком
С магнитострик-
ционным датчи-
ком
0,001-
60 ООО
1-50 ООО
5-200 ООО
0,1-
2 500 ООО
0,1—600 ООО
5-1 250 ООО
0,3—0,5
0,1—0,2
(термокомпен-
сированные)
0,2—0,5
1-3
0,5—3
В особо точ-
ных конструк-
циях 0,1—0,2
0,5-2
2-3
2—30, либо нуле-
вая система
0,1-0,2
0,5-3
0,05—0,2
TI родолжение табл. 2
Измеряе-
Способ отсчета
Надеж-
Достоинства
Размеры, мм
мая часто-
ность
и недостатки
та, гц
лоизмерители
Большие. При
грузоподъем-
ности 10 Т:
1 600X870X519
30—40
Циферблатная
шкала. Допуска-
ет телепередачу
показаний сель-
синами и электри-
ческими датчика-
ми
Очень
высокая
Простота кон-
струкции и об-
служивания .
Влияние тем-
пературы на
жесткость пру-
жин
При грузо-
подъемности
5 Т: 250Х
XI00X150
1-5
Манометр Бур-
дона или жидко-
стный
Высокая
Простота кон-
струкции
Быстродей-
ствие зависит*
от вторичного
прибора и рас-
стояния от него
Малые
10
Любой электри-
ческий вторичный
прибор
То же
Нечувствите-
лен к малым ко-
лебаниям тем-
пературы
Силоизмери-
тели до 100 Г
имеют диаметр
до 200 и вы-
соту до 250
5 000
Осциллографы,
потенциометры,
автоматические
цифровые регис-
траторы
То же
Допускает
многодиапазон-
ное измерение.
Электрический
сигнал очень
мал и требует
усиления
Малые
2 000
Осциллографы,
потенциометры,
электрические
указывающие при-
боры и автомати-
ческие цифровые
регистраторы
То же
Влияние тем-
пературы на
точность изме-
рения
Простая элек-
тронная аппара-
тура
При грузо-
подъемности
1 250 Г:
500x500x60
20 ООО
То же
То же
То же
31
Силоизмеритель
Наибольшее
измеряемое
усилие, кГ
Погрешность от
номинального зна-
чения шкалы, %
Измерительный ход,
мм
12
с емкостным
датчиком
0,1—50 ООО
0,5-2
0,05-0,15
IV, Гидравлические
13
14
15
Статические диа-
фрагменные
Проточные:
а) диафрагменные
'б) поршневые
Компенсацион-
ные:
а) диафрагменные
б) поршневые
5—500 ООО
10-200 ООО
3-30 ООО
25—300 ООО
3—60 ООО
0,2-0,5
0,1
0,05—0,1
0,1
0,05—0,1
0,05—0,5
0,1-0,25
1-10
0,1
0,1
V, Пневматические
16 I Проточные
17
32
Компенсацион-
ные
1—1 200
1-15 000
0,2—0,5
0,2-0,5
0,1—0,25
0,1
Продолжение табл. 1
Размеры, мм
Измеряе-
мая часто-
та, гц
Способ отсчета
Надеж-
ность
Достоинства
и недостатки
Малые
2 000
То же
Удовлет-
То же
воритель-
ная
силоизме рители
При грузо-
подъемности
180 Т:
диаметр 700
высота 250
1—10
Манометр
Бурдона или
жидкостный
То же
Давление жидкос-
ти до 150 кГ1см}.
Погрешность 0,5%
при изменении тем-
пературы на 10° С.
Нестабильность ну-
ля. Необходимость
тщательной герме-
тичности всей сис-
темы
То же
При грузо-
подъемности
30 Т:
диаметр 350
высота 350
1—10
Манометр
Бурдона, жид-
костный и пор-
шневой
Высокая
Давление жид-
кости до 60 кГ/см^.
Небольшая неста-
бильность нуля из-
за влияния темпе-
ратуры. Требуется
вращение или виб-
рация в цилиндро-
вой паре
То же
1-10
То же
Удовлет-
воритель-
ная
Давление жидко-
сти до 100 кГ/см^
Требуется враще-
ние или вибрация в
цилиндровой паре
силоизме рители
При грузо-
подъемности
1,2 Т:
диаметр 250
высота 220
1-5
Манометр Бур-
дона или жид-
костный
Высокая
Простота кон-
струкции
Быстродействие
зависит от вторич-
ного прибора и рас-
стояния от него
Давление возду-
ха до 5 KfjcM^
При грузо-
подъемности
15 Т:
диаметр 700
высота 250
1-5
То же
То же
То же
Давление возду-
ха до 50 kFjcm^
3 с. М. Кац.
33
йзмерейия .момента или усилия. Именно этому вопросу в нactoйЩeA
работе и уделяется основное внимание.
Поскольку задача измерения момента на балансирном статоре
сводится в основном к 'измерению усилия, то изложенный материал
по силоизмерителям может быть использован при проведении любых
других видов исследований, связанных с необходимостью измерения
усилий на статических или квазистатических режимах.
Измерение сводится в конечном счете к уравновешиванию из-
меряемого усилия усилием известной величины. Это уравновеши-
вающее усилие создается одним из следующих способов:
а) силой тяжести груза;
б) силой упругости деформируемого элемента;
в) давлением жидкости (или газа) «а диафрагму или поршень;
г) силой взаимодействия магнитных полей.
В соответствии с этим методы измерения момента на балансир-
ных динамо-метрах можно разделить на:
1) механические системы;
2) гидравлические и пневматические системы;
3) системы с электромагнитным уравновешиванием.
В настоящее время принято считать, что рычажио-весовые (или
вообще механические) и гидравлические силоизмерительные системы
по пределам и точности измерения примерно равноценны, но гидра-
влические системы требуют большего ухода и внимания при экс-
плуатации. Чисто электрические -методы измерения усилий на ба-
лансирных динамометрах не нашли еще достаточного применения
вследствие сравнительно невысоких метрологических свойств.
О системах с электромагнитным уравновешиванием коротко со-
общается в настоящей главе. В последующих же главах в основ-
ном рассматриваются .механические и гидравлические системы :изме-
рения, получившие наибольшее распространение в испытательной
практике.
Классификация (и основные свойства силоизмерительных систем
приведены в табл. 2.
8. Силоизмерители с электромагнитным уравновешиванием
Силоизмерительные системы, в которых измеряемое усилие урав-
новешивается электромагнитными силами притяжения, представля-
ют собой особую группу разнообразных по конструктивной форме
и постоянно совершенствующихся динамометрических устройств.
Величина уравновешивающего усилия в электромагнитных силоиз-
мерителях (обычно не более нескольких килограммов) зависит от
величины тока, проходящего в обмотках соленоидов или 1иных маг-
нитных систем, состоящих из двух частей: неподвижной и подвиж-
ной. Отклонение подвижной части от нулевого положения вызывает
появление сигнала, срабатывающего на увеличение или уменьшение
тока Б соответствующих обмотках до величины, при которой под-
вижная часть вернется в первоначальное положение. Ток является
мерой измеряемого усилия или момента. В качестве индикаторов
отклонения применяют датчики следующих типов: электроконтакт-
ные, индуктивные, емкостные, фотоэлементы.
Примером конструкции с электроконтактным индикатором от-
клонения служит автоматический соленоидный динамометр, иссле-
дованный И. А. Яковлевым. Измеряемое усилие Р, приложенное
34
Изшрявмов
усилив
Пружина
регулирований
нуля шнапы
Рис. 5. Схемы силоиз-
мерителей с электро-
магнитным уравнове-
шиванием,
а—с электроконтактным
индикатором отклонения;
б—с ди {)ференциальным
трансформаторным датчи-
ком отклонения; в—с ем-
костным индикатором от-
клонения; г—с фотоэле-
ментным датчиком
отклонения.
Выходной
сигмая
постоянного
/гта
35
к коромыслу / (рис. 5,а), уравновешивается силой взаимодей-
ствия между подвижным 2 и двумя неподвижными 3 соле-
ноидами (до 400 Г). Плавное изменение тока в соленоидах осу-
ществляется вращающимся реостатом 4. Для привода реостата при-
менен реверсивный серводвигатель 5, соединенный непосредственно
с электрическим тормозом 6. Реверсивный серводвигатель, управ-
ляемый системой электрических контактов 7, устанавливает необхо-
димую для равновесия силу тока в соленоидах. Все три соленоида
соединены последовательно и рассчитаны на максимальный дли-
тельный ток 15 а. Тарировочная зависимость между нагрузкой и ве-
личиной тока в соленоидах нелинейна (параболического вида). По-
грешности динамометра в целом обусловлены преимущественно
качеством амперметра и не превышают при нормальных темпера-
турных условиях 0,13% максимальной нагрузки.
Индикатором отклонения коромысла может служить дифферен-
циальный трансформаторный датчик (рис. 5,6). На коромысле /
помещена подвижная катушка 2, которая перемещается в зазоре
постоянного магнита 3. При отклонении коромысла от исходного
положения дифференциальный трансформатор 4 вырабатывает сиг-
нал, который после усиления и выпрямления в электронном блоке
5 поступает в подвижную катушку 2 и создает .магнитное поле,
взаимодействующее с магнитным полем постоянного магнита 3 та-
ким образом, что коромысло возвращается в .исходное положение
равновесия. Сигнал в цепи обратной связи пропорционален нагруз-
ке, действующей на коромысло. Погрешность измерения в динамо-
метрах этого типа обычно /-^.0,2%.
Схема электромагнитного силоизмерителя с емкостным индика-
тором отклонения показана на рис. 5,в. Здесь также уравновеши-
вающая электромагнитная сила создается током, протекающим че-
рез обмотку / в поле постоянного .магнита 2. Конденсатор 3 обра-
зует плечо мостового контура. При взаимном отклонении пластин
конденсатора появляется небаланс моста, который после усиления
и выпрямления преобразуется в ток, подаваемый в обмотку в соот-
ветствующей фазе.
Весьма распространенную группу составляют динамометры
с электромагнитным уравновешиванием, в которых в качестве инди-
каторов отклонения подвижной части служат фотоэлементы. Схема
динамометра, предназначенного для измерения вращающего момента
на балансирном устройстве, изображена на рис. 5,г. К балансирному
корпусу прикреплено коромысло 7, на одном конце которого имеется
пластина с прорезью, помещенная между фотоэлементом 2 и лам-
пой 3. При отклонении коромысла от равновесного состояния на
фотоэлементном датчике возникает сигнал, который усиливается и
передается на подвижную катушку 4, укрепленную на противопо-
ложном плече коромысла ш движущуюся в поле постоянного маг-
нита 5. Измеряемый момент непрерывно уравновешивается электро-
магнитными силами катушки, ток в которой связан с моментом ли-
нейной зависимостью и записывается амперметром. Приведенная
погрешность динамометра может иметь величину до ±0,2%.
Электромагнитный метод применяется, например, для измере-
ния момента трения подшипников (рис. 6) [Л. 82]. Испытываемый
вращающийся подшипник помещен в нагрузочное кольцо /, которое
соединено с поворотной катушкой 2, находящейся в поле постоян-
36
ного магнита 3. На нагрузочном кольце закреплено зеркальце 4.
Поворот зеркальца под действием измеряемого момента вызывает
изменение степени освещенности фотоэлемента 5, что приводит
Рис. 6. Электромагнитный метод изме-
рения момента трения подшипника.
к увеличению напряжения на сетке усилительной лампы 6. Нахо-
дящаяся в анодном контуре катушка 2 создает магнитное поле,
препятствующее ее повороту. Величина тока в катушке линейно
зависит от измеряемого момента.
ГЛАВА ВТОРАЯ
МЕХАНИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ ИЗМЕРЕНИЯ УСИЛИЙ
И ВРАЩАЮЩИХ МОМЕНТОВ
В качестве механических систем применяются:
1) рычажные силоизмерители «нулевого» типа (с ручным и ав-
томатическим уравновешиванием гирями);
2) маятниковые (квадрантные) динамометры;
3) упругие силоизмерители.
9. Рычажные силоизмерители
Элементарный обобщенный прототип реального рычажного сило-
измерп....л можно представить в виде коромысла — рычага первого
рода. К малому плечу рычага приложена измеряемая сила Р,
а вдоль большого плеча может перемещаться груз Q (рис. 7).
В момент равновесия имеет место равенство PL = Qlx и рычаг нахо-
дится в «нулевом» неотклоненном положении. При этОхМ указатель т
на большом плече находится против нуля дополнительной шкалы 6,
а значение измеряемой величины, прямо пропорциональное поло-
жению груза /х, отсчитывается по шкале а. При изменении измеряе-
мой величины на
37
груз Q может (вручную или автоматически) занять новое правиль-
ное положение /ь соответствующее усилию Р\ только в том случае,
если указатель переместится на некоторую величину 66. Для этого
требуется, чтобы рычаг повернулся на угол А<р = _—.
'о
Уравновешивающий момент М на рычаге является позицион-
ным, т. е. его величина меняется три отклонениях рычага. Отноше-
дМ
ние щ- называется коэффициентом восстановления позицион-
ного момента и выражает собой величину устойчивости
[кГ • см] измерительной системы. Коэффициент восстановления или,
Рис. 7. Элементарный обобщенный прототип реального
рычажного силоизмерителя.
иначе говоря, устойчивость считается положительной, когда
сила или момент увеличиваются при перемещении системы в сторо-
ну, обратную действию силы или момента, и отрицательной — когда
сила или момент при этом уменьшаются. В последнем случае при
действии на систему другой силы, например измеряемой, в направ-
лении, обратном действию позиционной силы, возникает неустойчи-
вое положение равновесия.
Устойчивость и рычага можно изобразить в виде некоторого
условного груза Г, прикрепленного жестко к коромыслу на расстоя-
нии Н от оси его качания:
и = ТН. (3)
Погрешность рассматриваемой нулевой системы возникает
вследствие высокого порога чувствительности, большой устойчиво-
сти системы и непостоянства длины плеч рычага.
Высокий порог чувствительности, который выражается величи;
ной некоторой малой силы (груза), выводящей из состояния равное
весия неработающую систему, является следствием моментов тре-
ния в шарнирах О т А:
Погрешность от устойчивости U составит:
ДМ,
-.UL<f.
(5)
38
Малое плечо L в силу различных причин (зазоры в подшипни-
ке, износ призм, влияние температуры и т. п.) может менять свою
величину, и поэтому .в длине плеча L выделим постоянную Lq и пе-
(ременную AL составляющие.
Таким образом, при перемещении рычага на угол Аф уравнение
моментов примет вид:
(Я + АЯ) {Ц + LL) = + ^Ау + Q/„ (б)
откуда получим основное уравнение 'измерения силы Р:
Из этого уравнения видно, во-первых, что сила Р уравновеши-
вается не только грузом Q, но также и силами трения и моментом
устойчивости. Наличие в левой части уравнения члена АР связано
с неизбежными для данной системы погрешностями измерения, кото-
рые появляются вследствие прерывистости действия указателя т.
Силы трения и устойчивость, а также непостоянство плеча L вно-
сят, таким образом, искажения в основное расчетное уравнение. Из
уравнения (6), разделив обе его части на измеряемый момент PL
и отбрасывая члены второго порядка малости, получим относитель-
ную погрешность измерения:
АЯ . /Мтр + ^Ау , AL\
~Р^-\ PL "^L /
(8)
Здесь как в наиболее неблагоприятном случае все частные ошибки
берутся со знаком «плюс», так как знак случайной погрешности
неизвестен.
В реальных силоизмерительных устройствах суммарный момент
трения Мтр связан с силой Р сложной зависимостью. Коэффициент
трения в шарикоподшипниках увеличивается с уменьшением силы Р,
а поэтому и момент трения уменьшается медленнее. В призменных
шарнирах, где призмы и подушки работают в области упругих де-
формаций, коэффициент трения, зависящий от ширины контактной
площадки, увеличивается с ростом нагрузки, а момент трения растет
значительно быстрее силы, действующей на шарнир.
Устойчивость и зависит от неуравновешенных подвижных масс
(маятниковый эффект или грузовая устойчивость) и от жесткости
упругих шарниров (упругая устойчивость). Грузовая устойчивость
не зависит от действующих сил; упругая устойчивость зависит от
них 'СЛОЖНЫМ образом: при изменении Р упругая устойчивость ме-
няется по абсолютной величине и, кроме того, с увеличением Р
возрастают упругие несовершенства, что приводит к появлению
переменной составляющей устойчивости, связанной с силой Р менее
строгой зависимостью.
После перемещения груза в положение /i рычаг возвращается
снова в нулевое положение, при котором члены погрешности, зави-
сящие от устойчивости, становятся равными нулю (/7А<рО при
А<р->0); следовательно, в состоянии !равновесия точность рассматри-
ваемой системы не зависит от грузовой или упругой устойчивости
всех подвижных элементв. Это обстоятельство является очень важ-
ным качеством, выгодно отличающим нулевую систему от ненулевых.
39
с другой стороны, рассматриваемый тип силоизмерителя харак-
теризуется, как мы видели, неизбежной погрешностью от устойчи-
вости вследствие прерывистого действия указателя т. Допустимая
относительная парциальная погрешность от устойчивости с учетом
(5) составит:
ть
Если и превышает допустимую по формуле (9) величину устой-
чивости, то необходимо поставить компенсатор устойчивости, кото-
рый может быть выполнен, например, в виде груза G, помещенного
на некоторой высоте h над коромыслом. Для уменьшения компен-
сирующего груза его целесообразно ставить не непосредственно на
коромысле (или балансирном статоре), а на измерительных ,р*1ча.
гах, имеющих передаточное отношение / в связях с коромыслом.
В этом случае устойчивость приводится к какой-либо точке или
оси по общему правилу приведения сил, т. е. путем умножения на
квадрат передаточного отношения, и остаточная величина устойчи-
вости будет равна:
U = TH — Ghi\ (10)
Чрезмерное уменьшение устойчивости недопустимо, так как при
этом положение равновесия устанавливается слишком медленно,
а при отрицательной устойчивости вообще не будет устойчивого
равновесного состояния.
И наоборот, быстродействие коромысла возрастает и динамиче-
ские свойства системы приближаются к свойствам обычной следя-
щей системы при увеличении статической устойчивости и, следова-
тельно, собственной частоты коромысла:
«ко
где соко и /к — соответственно собственная круговая частота и мо-
мент инерции коромысла.
* *
Простейшее рычажно-грузовое устройство состоит из рычага,
который прикрепляется к балансирному корпусу непосредственно
в виде плеча (рис. 8) или через промежуточную рычажную пере-
дачу. При измерении момента накладывают или снимают вручную
соответствующий груз, пока рычаг (и балансирный корпус) не уста-
новятся в нулевом положении (случай а). Основной уравновеши-
вающий груз 2 обычно подвешивается к рычагу / на постоянном
плече L, а дополнительный труз 3 перемещается вдоль соответству-
ющей шкалы. Такая конструкция хотя и отличается простотой и
надежностью, но требует большой затраты времени на выполнение
измерения.
В балансирных динамометрах находят применение также обыч-
ные десятичные и сотенные платформенные весы (случай б), кото-
рые дают достаточно высокую точность и широкие пределы измере-
ния, особенно в случае установки дополнительных гирь.
Все такие устройства не обеспечивают непосредственный отсчет
переменного вращающего момента, и при каждом изменении на-
грузки необходимо навешивать или передвигать гирю для достиже-
40
ния нового положения равновесия. Другим их недостатком является
медленное затухание колебаний, возникающих при изменении на-
грузки. Для устранения этих недостатков динамометры снабжаются
пружинны1ми силоизмерителями, а также весовыми элементами,
в которых груз перемещается автоматически.
Рис. 8. Схема рычажного динамометра с ручным
уравновешиванием,
а—система с одним рычагом; б—система с десятичными весами;
/—•рычаг; 2—основной уравновешивающий груз; 5—дополнительный
груз.
Большое распространение на практике получили самоустанавли-
вающиеся электрические весовые элементы (так называемые рей-
терные 1весы), которые дают возможность передавать показания
15
19
23
22
21
Рис. 9. Самоустанавливающийся электрический весовой элемент,
/--коромысло; 2-.опора; 5—моторотормозной агрегат; ^—ходовой винт; 5—
рейтер; 5—тяга; 7—призма; 5—счетчик; сельсин-датчик; электродвига-
тель; //--электротормоз; /2—контактный стержень; 13 и /^—пружинящие кон-
такты; /5—упругая пластина; J6 и /7—жесткие контакты; /5—диапазонные
грузы; /Р—подвеска; 2(?—моторный агрегат; 27—редуктор; 22-.винт;
25—подъемный столик.
практически на любые необходимые рассгояния и хорошо приспо-
соблены для автоматической точной регистрации показаний.
^ Весовой элемент (рис. 9) состоит из качающегося на призмен-
ной опоре 2 коромысла 1, на котором помещен моторотормозной
агрегат 3 (двигатель 10, тормоз Л и сельсин-датчик Р), передви-
41
гающий с помощью ходового (микрометрического) винта 4 подвиж-
ной груз — рейтер 5; последний двигается на роликах по направ-
ляющим коромысла. С ходовым винтом рейтер связан подпружи-
ненной полугайкой. Измеряемое усилие прикладывается с помощью
тяги 6 к призме 7, помещенной и а коротком плече коромысла. По-
ложение груза на коромысле, служащее мерой измеряемого усилия,
определяется по числу оборотов ходового винта механическим че-
тырехзначным десятичным счетчиком 8. По трем барабанам счет-
чика отсчитывается целое число оборотов, а последний барабан де-
лает один оборот за оборот винта, т. е. цена деления счетчика рав-
на '1/10 шага резьбы ходового ©инта. Для дистанционного отсчета
показаний служит сельсин-датчик 9, электрически соединенный
с сельсином-приемНИКОМ. Последний через соответствующую пере-
дачу вращает стрелку циферблатного указательного механизма, ли-
бо счетчик цифропечатающего механизма.
В конце коромысла помещено управляющее устройство, состоя-
щее из пары двусторонних контактов — «грубого» и «тонкого». Гру-
бый контакт образован жестко закрепленным на коромысле токо-
проводящим стержнем /2, находящимся между пружинящими кон-
тактами 13 и 14 с зазором в несколько миллиметров. Тонкий кон-
такт выполнен iB виде прикрепленной к коромыслу упругой пласти-
ны /5, помещенной с зазорам порядка 0,1 мм между двумя жест-
кими неподвижными контактами 16 и 17.
Если груз уравновешивает измеряемое усилие, то коромысло
занимает устойчивое горизонтальное положение, 'оба контакта разо-
мкнуты и электродвигатель не вращается; тормоз при этом включен.
При изменении измеряемого усилия коромысло отклоняется вверх
или вниз, замыкая соответствующие грубый и тонкий контакты;
тормоз выключается замыканием грубого контакта, и рейтер переме-
щается в требуемую сторону с большой скоростью, соответствую-
щей 1 200—1 500 обIмин ходового винта. При подходе к положению
равновесия прубый контакт выключается и включает тормоз, ско-
рость винта уменьшается до 60—100 об j мин, благодаря чему исклю-
чается пробег груза через положение равновесия. В момент полного
равновесия выключается и тонкий контакт, двигатель останавли-
вается.
Весовые элементы изготавливаются у нас двух типов: однодиа-
пазонные типа ВЭ-1 для нагрузок от 0,1 до 12 /сГ и пятидиапазон-
ные типы ВЭ-2 для нагрузок от 0,1 до 33 кГ. Рабочий ход рейтера
равен юоответственно 375 и 400 мм. Ходовой винт имеет резьбу
с шагом 1; 1,5; 2 и 2,5 мм. Приведенная погрешность измерения со-
ответственно равна ± 0,05; 0,075; 0,1 и 0,125%.
Весовой элемент ВЭ-2 снабжен системой диапазонных грузов
18 (рис. 9), которые автоматически навешиваются или снимаются
со специальных штырей подвески 19, помещенной на коромысле
(когда рейтер доходит до крайнего положения). Механизм наложе-
ния 1грузов состоит из двигательного агрегата 20, редуктора 21 и
вертикального винта 22 с подъемным столиком 23 [Л. 12].
В некоторых конструкциях рейтерных весов контактное управ-
ляющее устройство заменено бесконтактным электромагнитным ин-
дикатором, состоящим, например, из подвижной (прикрепленной
к концу коромысла) и неподвижной катушек. Вырабатываемый
индикатором сигнал определенного знака, пропорциональный ходу
43
коромысла, после усиления подается на управляющую обмотку двух-
фазного серводвигателя, перемещающего груз. Необходимость
в электрическом тормозе отпадает.
Для улучшения характера переходного процесса вводится гиб-
кая обратная связь по скорости вращения серводвигателя. Это до-
стигается путем ввода в цепь входа усилителя сигнала от тахоге-
нератора, соединенного с валом серводвигателя. Такой весовой
элемент имеет вдвое большее быстродействие, чем контактный.
Рейтерные 'весовые элементы подсоединяются к тормозным ди-
намометрам непосредственно или, при 'большом значении вращаю-
щего (момента, через рычажную систему. В настоящее время они
находят применение пока еще лишь в ответственных эксперимен-
тальных установках. Это объясняется тем, что они требуют пос-
тоянного и квалифицированного ухода, весьма дороги и не изготав-
ливаются в нужном количестве.
Кроме рассмотренных весовых элементов с электроприводом,
в практике применяются схемы с другим способом перемещения
уравновешивающего груза.
В частности, следует упомянуть конструкцию весового элемен-
та, в котором ходовой винт вращается шестеренчатым масляным
двигателем. Двигатель управляется чувствительнымзолотником
с дифференциальным поршнем. На последний действует нож-толка-
тель, соединенный с малым плечом коромысла так, что в положении
равновесия дифференциальный поршень и ^вместе с ним золотник
остаются в среднем положении. Малейшее передвижение ножа
вверх или вниз вызывает движение золотника. В этом весовом эле-
менте при максимальном измеряемом усилии 70 кГ погрешность не
превышает 15 г.
На рис. 10 показана схема весового элемента, в котором пе-
ремещение уравновешив^ающего груза осуществляется пневмопри-
водом.
Измеряемое усилие, приложенное к малому плечу коромысла /,
уравновешивается грузом 2, который перемещается на роликах
вдоль большого плеча струной 5, соединенной с поводком привод-
ного цилиндра 6. На конце коромысла помещена двусторонняя за-
слонка 12, которая при отклонении коромысла вследствие измене-
ния измеряемого усилия прикрывает одно из пневмореле 3 или 4 и
открывает другое. Благодаря этому разность давлений в блоке реле
резко возрастает от О до 1 ат и заставляет сработать распредели-
тель 5, который сообщает одну из полостей цилиндра с давлением
питания, а другую —с атмосферой. Под действием разности дав-
лений в полостях цилиндр приходит в движение и перемещает через
струну 8 в соответствующую сторону груз 2. Движение цилиндра
с грузом будет происходить до тех пор, пока в междроссельных ка-
мерах пневмореле 3 и 4 не установятся одинаковые давления, что
будет соответствовать среднему положению заслонки между сопла-
ми и равенству моментов груза 2 и измеряемого усилия относи-
тельно опоры коромысла. Перемещение цилиндра и груза может
быть записано на диаграммной ленте, ширина которой равна ходу
цилиндра, либо передано сельсинной передачей 9 на дистанционно
расположенные указатель или регистратор. Преимуществом пневма-
тического весового элемента перед обычным электрическим являет-
ся высокое быстродействие. Время переходного процесса при скач-
43
44
кообразном изменении измеряемого усилия от О до Рмйкс может
быть получено в пределах 1—2 сек. Такой весовой элемент может
быть удобно присоединен к современным пневматическим системам
автоматического регулирования.
10. Маятниковые динамометры
Элементарный обобщенный прототип реального силоизмерителя
маятникового (квадрантного) типа можно представить в виде угло-
вого коромысла, к силоприемному нлечу L которого прикладывается
измеряемое усилие, уравновешиваемое грузом Q, постоянно за-
крепленным на плече / (рис. 11).
В момент равновесия в иде-
альном механизме имеет место
равенство
PL cos f =Q/ sin^.
т. е.
Рис. 11. Элементарный]';обоб-
щенный прототип реального
силоизмерителя маятникового
типа.
Угол ф служит, следователь-
но, мерой измеряемого усилия;
величина угла отклонения груза
Q отмечается по шкале а с по-
мощью указателя К.
Погрешности .в реальном ме-
хаеиз1ме этого типа возникают
от устойчивости, трения в шар-
нирах и непостоянства плеча L.
Обозначим устойчивость, сосредоточенную в шарнире О, через
Uq-^^U, момент трения — через Мтр и величину плеча —через.
Lq+AL, где Lq — постоянная часть плеча; AL—переменная состав-
ляющая, изменяющаяся в функции от зазоров в шарнирах, темпе-
ратуры и т. п.
При приложении к квадранту силы Р он отклонится на угол
у' Ф и будет иметь место равенство:
(Я + AP)(Lq + AL) cos ^' =(Uo + Af/) ^' + + Ql sin (12)
Из этого уравнения видно, что при отсутствии членов, связан-
ных с трением и переменными составляющими AL и А(7, уравнение
равновесия будет:
^ = r^ + ^t*g?' 03)
Таким образом, усилие Р уравновешивается не только гру-
зом Q, но и постоянной устойчивостью действие которой не
пропадает в момент равновесия, а величина зависит от угла откло-
нения маятника. Вследствие этого для данного значения Р дейст-
вительный угол отклонения маятника (при отсутствии переменных
составляющих Мтр, AL и At/) (р'ф Ф, и, следовательно, шкалу а
45
нельзя рассчитывать по уравнению (И), так как в этом случае бу-
дет иметь место систематическая погрешность, которая, однако,
легко устраняется при тарировании.
Остальные члены уравнения (12) выражают уравнение ошибок
APL cos <р' = Мтр + Шя^' — PAL cos (14)
или, принимая, что все случайные погрешности направлены в одну
сторону,
Р -~-\ PLcosy' ^ L У
Сравнивая это уравнение с (8), видим, что здесь погрешность,
вызываемая переменной устойчивостью, сохраняется при любом
значении ф', а следовательно, на всем диапазоне измерения Р. От-
носительная погрешность от переменных составляющих плеча и
устойчивости и от трения здесь также является сложной функцией
измеряемого усилия Р. Однако количество членов, вызывающих
погрешность измерения, в маятниковых динамометрах меньше, так
как погрешности от постоянных составляющих устойчивости входят
в расчет шкалы или устраняются при тарировании.
Маятниковый динамометр обладает свойством хорошо усред-
нять небольшие колебания вращающего момента испытываемого
двигателя, что облегчает отсчет показаний.
В простейшем .виде маятниковый динамометр представляет со-
бой груз, прикрепленный непосредственно к балансирному статору.
Примером может служить конструкция рассмотренного ранее ин-
дукторногэ тормоза (рис. 3). Шкалы этих простейших динамометров
имеют неравномерную цену делений (синус-весы). Повышение чув-
ствительности системы и точности отсчета достигается изменением
количества грузов маятника. Точность измерения момента этим спо-
собом ограничивается в основном шкаловой (отсчетной) погрешно-
стью, которая обычно составляет 0,5—1%, .максимального значения
шкалы
При больших значениях вращающего момента вводится проме-
жуточная передача между уравновешивающим маятником и балан-
сирным статором. Усилие от балансирного статора передается на
плечо е маятника «епосредственно или через промежуточный рычаг
(рис. 12). Часто плечо маятника выполняется в виде короткой экс-
центриковой детали. Благодаря этому увеличивается нагрузка на
маятник, но возникает большая погрешность от трения в эксцентри-
ковом узле. Так, например, если диаметр шарикоподшипников йл
и йв в эксцентриковом узле только вдвое превышает в, то по фор-
муле (48), приняв коэффициент трения /=0,003, получим:
f (d. +dr,\ 0,003 f 2е + 2е \
^ = ± ( ^ ^ ^ jlOOo/o = ± JlOOo/o= ± 0,бо/о.
Для устранения неравномерности шкалы иногда применяются
специальные корректирующие передачи от маятника к указателю.
В простейшем виде (рис. 12) корректирующее устройство состоит
из линейной равномерной шкалы / и скользящего по ней ползун-
ка 2, связанного с маятником 3,
46
в ряде конструкций маятниковых динамометров для увеличе-
ния точности отсчета вводится увеличивающая шестеренчатая пере-
дача на стрелку. При этом также принимаются меры для устране-
ния неравномерности шкалы. Одним из наиболее совершенных яв-
ляется метод, -связанный с применением ленточной передачи на про-
фильный сектор стрелки аналогично рассмотренным ниже квадрант-
ным весам.
Другая характерная схема показана на рис. 13.
На маятнике / с силовым эксцентриком е помещено коромыс-
ло 2, на закаленные платики 5 которого опираются иглы 4, пере-
дающие движение маятника на раму 5, а от нее через зубчато-рееч-
ную передачу 6 — на указательную стрелку 7. Рамка 5 соединена
с двумя успокоителями S.
Рис. 12. Маятниковый динамометр с корректирующей
передачей от маятника к указателю,
/—шкала; 2 —ползунок; 5 —маятник; -промежуточный рычаг.
Нетрудно видеть, что здесь также устраняется неравномер-
ность, присущая шкалам тангенс-весов.
Для дистанционной передачи показаний циферблатных указа-
телей маятниковых динамометров применяются потенциометрические
датчики и сельсины. Этим они выгодно отличаются от квадрантных
весовых головок, в которых вследствие значительно меньшего веса
маятника-квадранта применение потенциометров и сельсинов вызы-
вает недопустимые погрешности измерения. Это объясняется тем,
что погрешность вследствие трения в присоединенном к оси стрелки
сельсине-датчике или потенциометре зависит от отношения момента
трения к величине «работоспособности» (под работоспособностью
подразумевается произведение максимальной силы, развиваемой
уравновешивающим механизмом в точке присоединения механизма,
на полную величину хода этой точки). Величина работоспособности,
а следовательно, и допустимая величина внешнего момента трения,
приложенного к оси стрелки указателя маятникового динамометра,
обычно значительно выше, чем для квадрантного указательного ме-
ханизма.
Для дистанционной передачи угла отклонения небольших маят-
никовых динамометров могут применяться также индуктивные дат-
47
Рис. 13. Схема маятникового дина-
мометра с корректирующей пере-
дачей от маятника к указатель-
ной стрелке,
/—маятник; 2—коромысло; 5 —платик;
^—игла; 5—подвижная рамка; 5—рейка;
7—указатель; 5 —успокоитель.
Рис. 14. Схема маят-
никового динамомет-
ра с индуктивным
датчиком перемеще-
ния.
/—балансирный корпус;
2—маятник; 5 —индуктив-
ный датчик.
Рис. 15. Схема маятникового динамометра с
оптическим указателем.
/—балансирный корпус; 2—маятник; 5—лампа; ^—колли-
матор со щелью; 5—теневой указатель; 5—призма; 7—
линза; 5—диафрагма; светочувствительная бумага.
48
чи'ки перемещения. На рис. 14 показана схема такого устройства.
Отклонение S конца маятника с грузом Q измеряется линейным
дифференциальным трансформаторным датчиком, переменное на-
пряжение на котором пропорционально ходу его якоря (до 1—3 мм).
Измеряемый момент M = Q.S не превышает 2—3 кГ - см.
Для регистрации очень малых моментов применяется маятнико-
вый динамометр с теневым оптическим указателем (рис. 15). Тене-
вой указатель лежит в световом пучке и прикреплен к балансирно-
му корпусу. Расстояние от теневого указателя до луча, проходя-
щего через ось вращения, пропорционально углу ф. Поэтому откло-
нение изображения теневого указателя на светочувствительной бу-
маге от начального положения линейно связано с изменением мо-
мента.
11. Рычажные системы с квадрантными весовыми указателями
Квадрантные весовые указатели
Маятниковые динамометры в описанном выше исполнении зна-
чительно уступают по точности квадрантным весю'вым головкам
(указателям). Такие весовые головки выпускаются промышленно-
стью как у нас, так и за границей и с помощью промежуточных
рычагов могут быть приспособлены для измерения усилий и вра-
щающих моментов практически любой величины.
Применяющиеся для целей динамометрии циферблатные весо-
вые головки имеют круговую равномерную шкалу, замкнутую
(360°) или с небольшим разрывом между начальной и полной на-
грузками (300—355°). Шкала имеет 500 или 1 000 делений.
Аналогично рассмотренным выше маятниковым динамометрам
в квадрантных уравновешивающих механизмах также возникает
синусная погрешность. При малых углах отклонения квадранта
(меньших 10°) эта погрешность пренебрежимо мала, но вес и габа-
риты квадранта требуются значительные. Поэтому применяют не-
большие квадранты со сравнительно большими углами отклонения,
в которых для получения равномерной шкалы вводятся различные
мгтоды компенсации синусной погрешности, т. е. получения прямо-
линейной зависимости между углом отклонения стрелки и измеряе-
мой нагрузкой.
Вопросы расчета квадрантных весовых указателей с равномер-
ной шкалой изложены в работах И. Д. Менделеева, Ф. М. Ширма-
нова, Г. Ф. Маликова [Л. 33, 34, 58].
Наиболее употребительный метод компенсации состоит в при-
менении эксцентрицитета грузоприемного сектора. Такой метод при-
менен, в частности, в циферблатном приборе ЦУ-500, выпускаемом
Кокчетавским механическим заводом. Схема этого прибора пред-
ставлена на рис. 16.
Измеряемое усилие передается тягой / на траверсу, которая
соединена двумя гибкими стальными лентами 3 с грузоприемными
секторами 5 двух симметрично расположенных квадрантов. Каж-
дый из этих квадрантов при помощи двух кулачков 4 подвешен на
других гибких стальных лентах к направляющим рамки 6. При при-
ложении усилия к прибору грузы И квадрантов расходятся в сто-
роны, а кулачки 4 перекатываются по своим направляющим, пере-
мещая в вертикальном направлении шарнирно связанные с осями
4 С. М. Кац. 49
квадрантов с -обеих сторон горизонтальные планки 7. К этим план-
кам прикреплена зубчатая рейка 8, сцепленная с шестеренкой Р, на-
саженной на ось указательной стрелки W. Благодаря эксцентрично-
стл расположения грузоприемных секторов относительно опорных
секторов шкала весов равномерная. Наибольшая полезная нагрузка
на головку составляет 10 кГ. Ход грузоприемной тяги —до 35 мм,
угол поворота квадранта бО''.
Принципиально другой способ выпрямления шкалы применен
в 'весовой головке, изображенной на рис. 17. Здесь компенсация
маятниковой погрешности произведена за счет смещения центра
тяжести стрелки с помощью помещенного на ней небольшого кор-
регирующего грузика, что дает синусоиду, расположенную обратно
Рис. 16. Схема двухквадрантного
весового циферблатного указателя,
/—тяга; 2—траверса; 5 —лента; 4—кулачок;
5 —грузоприемный сектор; 5—направляю-
щая; 7 —горизонтальная планка; 5 —зубчатая
рейка; Р —шестеренка; /О —указательная
стрелка; // — груз.
(зеркально) по отношению кривой синусоидальной погрешности
квадранта. Как показали исследования, выполненные Ф. М. Ширма-
новым, уменьшение погрешностей указанным путем при небольших
углах отклонения квадранта делает возможным применение квад-
рантов с концентрическим грузоприемным сектором, что упрощает
их изготовление. Измеряемое усилие с грузоприемного рычага /
передается через ленту 2 на силоприемный сектор квадранта 3,
Другими двумя лентами квадрант подвешен к кронштейну 4 и мо-
жет перекатываться своими опорными секторами по вертикальным
направляющим этого кронштейна, занимая каждый раз такое поло-
жение, при котором момент от усилия на ленте 2 относительно на-
правляющих уравновешивается моментом от веса квадранта. Связь
квадранта с указательной стрелкой осуществляется лентой 5, за-
крепленной одним концом на противоположном секторе квадранта,
а другим на барабане 6, на оси которого помещена стрелка 7. Все
секторы квадранта являются концентрично расположенными дугами
50
окружности. Постоянное напряжение стрелочного узла создается
грузиком 8, подвешенным к барабану на ленте 9. Рычаг / снабжен
гидравлическим демпфером 10 и серьгой // для вывешивания на-
чальной тарной нагрузки. Равномерность шкалы прибора, имеющей
1 ООО делений на дуге 300°, достигается благодаря небольшому углу
отклонения квадранта от вертикали (2ф = 36°) и установке корреги-
рующего грузика на стрелке.
Помимо циферблатных весовых головок, в балансирных дина-
мометрах находят нрименение квадрантные весы со световой шка-
лой. На рис. 18 показана схема оптических весов с максимальной
Рис. 17. Схема одноквадрантного
весового циферблатного указателя.
7 — грузоприемный рычаг; 2 —лента; 5—
квадрант; 4 —направляющая; 5—лента; 6—
барабан; 7 —указательная стрелка; 5 —гру-
зик; Р—лента: /О —успокоитель; 7/—серьга
тарной нагрузки; 72—тяга.
полезной нагрузкой около 200 кГ. Измеряемое усилие передается
на силоприемный рычаг У, а от него через гибкую стальную ленту 2
на силоприемный сектор квадранта 3. Сектор, необходимый для по-
лучения равномерной шкалы, с расчетной криволинейной формой за-
менен с достаточной для измерений точностью цилиндрическим сек-
тором, посаженным с определенным эксцентрицитетом относительно
оси вращения квадранта. Угловое отклонение квадранта отсчиты-
вается с помощью светооптической передачи, состоящей из освети-
тельной лампы 4, объектива 5, прозрачной стеклянной шкалы 6,
конденсора 7, промежуточных зеркал 8 и 9 и матового экрана 10.
Благодаря крупному изображению цифр и делений на матовом эк-
ране достигается возможность дистанционного отсчета на расстоя-
нии до 10—15 м с погрешностью до 0,1%.
Оптическая систСхМа отсчета находит применение также и
в двухквадрантных весовых головках. В весовых головках с под-
4* 51
весными двухсекторными квадрантами круговая оптическая шкала
помещается вместо стрелки на оси шестеренки, сцепленной с зуб-
чаггой рейкой.
^ Для повышения точности измерения в широком диапазоне уси-
лий могут применяться многошкальные циферблатные весы из не-
скольких однотипных циферблатных указательных головок, после-
Рис. 18. Схема квадрантной весовой
головки скептической [шкалой.
/ — силоприемный рычаг; 2—лента; 5 —квад-
рант; лампа; 5—объектив; 5—стеклянная
прозрачная шкала; 7—конденсор; 8 и 9—
зеркала; /f? —матовый экран.
довательно включаемых по мере увеличения нагрузки. Значитель-
ное повышение точности достигается в циферблатных весах со
встроенными накладными гирями, а также в многооборотных ци-
ферблатных весовых головках. Практика показывает, что у таких
весовых головок абсолютное значение погрешности на всех диапа-
зонах остается таким же, как и на одной первой ступени изме-
рения.
Рычажные реверсивные и передающие устройства
Обязательной принадлежностью рычажно-весовых динамометров
является реверсивный механизм, преобразующий знакопеременное
усилие на плече балансирной машины в направленное вниз усилие,
передающееся на весовую головку.
Простейшее реверсивное устройство представляет собой рычаг
с двумя гнездами под опору. Зная заранее направление вращаю-
щего момента, опору рычага соединяют с тем или иным гнездом
так, чтобы усилие на конце было всегда направлено вниз. Это
устройство может применяться только тогда, когда не требуется
реверсирования на ходу.
При необходимости реверсирования на ходу наиболее часто
применяется схема, показанная на рис. 19. К балансирному статору
прикрепляется плечо /, на конце которого имеется плита 2 с двумя
призменными шарнирами 3 п 4. Они передают знакопеременное
52
усилиз через тягу 7 или цепь 5—6—7 на промежуточный рычаг 8,
а от него на весовую головку 9.
При испытании двигателей, подверженных вибрации или значи-
тельным колебаниям вращающего момента, обычное демпфирование
с помощью масляных демпферов часто оказывается недостаточным.
Рис. 19. Схема рычажно-весовой си-
стемы с реверсивным устройством.
7—плечо балансирного статора; 2—плита;
3 и 4—призменные шарниры; 5—серьга; tf—
коромысло; 7—двойная серьга; 5 —промежу-
точный рычаг; Р—весовая головка; /О—груз
предварительного натяжения; //—пружина.
Для уменьшения колебаний стрелки и улучшения тем самым усло-
вий отсчета показаний применяют нагружение весовой головки
предварительным грузом 10 (рис. 19) с включением спиральной
пружины И между предварительным грузом и рычажной пере-
дачей.
* *
*
Как уже было сказано, часто возникает необходимость, чтобы
указатель момента находился на расстоянии 5—10 лt и более от
балансирной машины. Весы с оптической шкалой не всегда приме-
нимы, главным образом вследствие невозможности их удовлетвори-
тельного демпфирования вблизи работающего двигателя, вибрации
от которого вызывают расплывчатое изображение чисел и делений
на матовом экране. Поэтому более распространенным является ме-
ханический способ передачи усилий от места измерения к указа-
телю с помощью длинных тяг.
53
На рис. 20 показана схема дистанционной рычажно-весовой си-
стемы с реверсивным устройством. Вращающий момент на балан-
сирном корпусе передается плечом / на трехплечий рычаг 4 шар-
нирной связью БВ или АД — в зависимости от направления момен-
та. Эти связи вьшолнены так, что при направлении момента по ча-
совой стрелке усилие на плече / передается через связь АД и да-
лее через плечи ГД и ГЕ ры-
чага 4 иа тягу 5. При этом
связь БВ в 1работе не участ-
вует. При другом направле-
нии измеряемого момента уси-
лие передается связью БВ и
далее через плечи ВГ и ГЕ
на тягу 5 — в том же напрш-
левии. В этом случае не ра-
ботает связь АД.
В рассмотренной конст-
рукции 'все ша.рни.ры рычагов
выполнены на шар икон од шин-
никах. Такие шарниры имеют
ряд недостатков, которые ог-
раничивают нх применение
■при увеличении мощности:
Демп(рер
Рис. 20. Схема дистанционной рычажно-весовой системы
с реверсивным устройством.
/ — плечо балансирного статора; 2—шарнирная связь на сжатие; ,? —шарнирная
связь на растяжение; 4—трехплечий рычаг; 5—горизонтальная тяга; 5 —угловой
рычаг; 7 —вертикальная тяга; 5 —рычажный редуктор; р —весовая головка.
сравнительно высокие коэффициенты трения, большие размеры
подшипников, наличие зазоров, сравнительно быстрый износ и т. п.
Существенными недостатками обладают и призменные шарниры: бы-
стрый износ npi^ вибрационных условиях работы, громоздкость при
больших нагрузках, невозможность восприятия знакопеременных и
боковых нагрузок и т. п.
Указанные недостатки призменных и шарикоподшипниковых
шарниров вызвали появление упругих шарниров, в которых поворот
на небольшой угол (обычно не превышающий долей градуса) про-
исходит за счет упругой деформации одной или нескольких упругих
пластин.
54
Упругие шарниры очень просты по конструкции, надежны при
длительной эксплуатации, в них практически отсутствует трение;
они прекрасно воспринимают знакопеременные н боковые нагрузки;
отличаются хорошей работоспособностью в условиях вибрации и
тряски, присущих испытательным стендам. Ввиду того, что упругие
ша'рниры находят все большее применение и являются наиболее
перспективными для мощных и точных динамометрических систем,
остановимся более подробно на вопросах их конструирования и
расчета.
В упругих шарнирах, воспринимающих усилия, не превышаю-
щие 100—200 /сГ, применяются тонкие стальные ленты. Рекомен-
дуется применять стальную пружинную термообработанную ленту
по ГОСТ 2614-55, изготовляющуюся из сталей У7А, У8А, 65Г,
60С2, 60С2А и др. н имеющую ав = 130—200 кГ1мм\
Величина погрешностей измерения вследствие упругих несо-
вершенств материала упругого шарнира зависит от соотношения
восстанавливающего и измерительного моментов, с другой стороны,
величина упругих несовершенств зависит от напряжения материала.
В тонких слабо нагрул<енных пластинах можно допустить напряже-
ния, не превышающие предела упругости при изгибе. Величина уп-
ругих несовершенств, а следовательно, и непостоянство восстанавли-
вающего момента могут достигать при этом нескольких процентов,
но поскольку восстанавливающий момент на пластинах получается
очень малым, то и погрешность измерения будет также мала. Так,
например, если напряжение в пластине составляет 80% предела
пропорциональности, то упругое последействие составляет
деформации или величины восстанавливающего момента. Если вос-
станавливающий .момент равен, например, 5% измеряемого момента,
то погрешность измерения будет равна 1,6-0,05 = 0,08%.
Упругие шарниры, воспринимающие значительные усилия (в
несколько Т0Н1Н и бюлее), следует изготавливать из качественной
рессорно-пружинной горячекатаной стали (по ГОСТ 7419-55). Наи-
высшими пределами прочности обладают хромомарганцовистые
стали (50ХГ, 50ХГА), хромованадиевые (50ХФА), хромокремниева-
надиевые (60С2ХФА) и др., имеющие ав>130 кГ/мм^,
Как показывает практика конструирования сильно нагруженных
упругих шарниров, восстанавливающие моменты н них достигают
иногда большой величины и составляют значительную долю изме-
ряемого момента. Поэтому н этих случаях следует принимать меры
для уменьшения погрешностей из-за упругих несовершенств (упру-
гое последействие и упругий гистерезис) и влияния температуры.
Рабочие напряжения не должны превышать 20% предела пропор-
циональности материала упругой детали. При больших значениях
напряжений величина упругого последействия увеличивается и до-
стигает 2—3%. Растет также и упругий гистерезис: при увеличе-
нии напряжения вдвое гистерезис увеличивается в 3 раза. Для
уменьшения доли пластических деформаций и одновременно для
увеличения предела усталости следует тщательно шлифовать рабо-
чие поверхности упругой детали, места концентраций напряжений
должны быть сведены к минимуму.
Величина упругих несовершенств может быть значительно сни-
жена применением при изготовлении упругих шарниров таких ме-
тодов, как 3 а н е в о л и в а н и е и тренировка. Заневоливание
упругих элементов заключается в выдерживании их в деформиро-
55
ванном состоя.нни в течение нескольких часов под нагрузкой, пре-
вышающей на 15—20% максимальную рабочую нагрузку. Трени-
ровка ynipyrnx элементов состоит н циклическом нагружении упру-
гих элементов с напряжением цикла в пределах упругости.
На точность измерения сказывается также изменение модуля
упругости материала при изменении температуры. Жесткость упру-
гой детали, изготовленной из углеродистой стали, изменяется при-
мерно на 1% при изменении температуры на 40° С. Поэтому необ-
ходимо следить, чтобы разность температур при работе и при та-
рировании не превыш1ала 10—-15° С.
Останов1имся на расчете однопластинчатых упругих шарниров
Такие шарниры имеют обычно тонкую среднюю рабочую часть
и утолщенные концы—комли. Рабочую часть можно представить
в виде консольного стержня (табл. 3), защемленного одним кон-
цом и нагруженного на другом конце моментом Mq, вызывающим
поворот пластины на угол а иокруг некоторого центра С. Помимо
момента Мо, на пластину может действовать также сжимающая
или растягивающая сила Р.
Важной характеристикой нагруженной упругой пластины явля-
ется величина ее устойчивости. Устойчивостью U упругой пласти-
ны называется степень сопротивления пластины ее перемещению
под действием приложенного момента:
dM
da
(16)
где dM и da — соответственно дифференциалы восстанавливающего
момента и угла поворота пластины.
В табл. 3 даны формулы для определения максимального из-
гибающего момента и устойчивости упругой пластины при различ-
ных случаях налружения.
Т>[б лица 3
К расчету однопластинчатых упругих шарниров
Максимальный
изгибающий
момент Ммакс
Устойчивость
пластины и
В заделке
Р1 tgg
и sin X/
PI
\l sin XI
На конце
EJXtg g
thXl
При X = 0—/
EJ tga
PI
XI sh XI
EJ
В этих формулах введено обозначение
р
(17)
56
где Е —• модуль упругости материала пластины;
/ — момент инерции сечения пластины;
а — угол поворота рабочей части пластины, который считается
заданным для расчета и определяется, исходя из величины
хода рычага и длины его плеч.
Расчет на прочность упругих пластин производится по обыч-
ным формулам кур'са сопрогтивления материалов.
Помимо однопластинчатых, применяются также крестообраз-
ные упругие шарниры. Они обычно состоят из трех пластин: двух
вертикальных, восприним1ающих рабочую нагрузку, и одной гори-
зонтальной, которая работает только на изгиб и поэтому делается
более тонкой. Устойчивость крестообразного упругого шарнира
определяется как сумма, устойчивостей пластин L^r — горизонталь-
ных и L^b — вертикальных:
и = nrUr + n^Us, (18)
где Пг и Пв — количество горизонтальных и нертикальных пластин
в данном шарнире.
Остановимся на инструментальных погрешностях в рычажно-
весовых системах с упругими шарнирами.
К инструментальным погрешностям здесь относятся погрешно-
сти, (Возникающие вследствие непостоянства жесткости упругих
шарниров и опор, погрешности от неточной кратности плеч рыча-
гов, смещения нулевой точки шкалы и т. п. При применении тари-
руемых указателей с условными шкалами инструментальная по-
грешность вызывается только переменной жесткостью упругих шар-
ниров и опор.
Во время р1аботы динамометра вследствие весовых перемеще-
ний происходит деформация упругих элементов, что вызывает по-
явление возвращающего момента или усилий, направленных в сто-
рону, противоположную измеряемому моменту или силе. Если та-
рировочное устройство выполнено правильно, то при тарировании
динамометр нагружается точно таким же образом, как и при ра-
боте, и поэтому при приложении к динамометру одинаковых ве-
личин показания силоизмерителей при тарировании и при работе
будут одинаковы. В этом случае величина возвращающего усилия
или момента будет автоматически учтена и не внесет ошибок в из-
мерения. Однако эта величина не остается постоянной при одном
и том же измеряемом усилии, что вызывается следующими факто-
рами. Во-первых, она зависит от угловой или линейной деформа-
ции упругих шарниров. Действительные перемещения балансирного
статора и рычагов часто бывают значительно больше кинематиче-
ских (расчетных) перемещений на величину деформации рычагов,
их опор, тяг, вследствие люфтов в шарнирных соединениях, резь-
бах и т. п. Величина действительного перемещения может менять-
ся случайным образом (постепенное ослабление резьб, штифтов,
посадочных мест упругих пластин; неупругие деформации кронш-
тейнов и опорных плит и т. п.). Поэтому как функция перемеще-
ния меняется и возвращающее усилие.
Вонвторых, жесткость упругих шарниров зависит, как уже бы-
ло сказано выше, от упругих несовершенств и температурного из-
менения модуля упругости.
Рассмотрим в общем виде задачу определения величины устой-
чивости рычажно-весовой системы.
57
Ма рис. 21 изображена схема балансирного динамометра С ры-
чажной системой, выполненной, например, на упругих шарнирах, и
циферблатной весовой головкой, которая имеет грузоподъемность
Рис. 21. Схема рычажно-весовой системы балансир-
ного динамометра.
Р при ходе In. Обозначим также М —наибольший измеряемый
вращающий момент, а передаточные отношения рычагов:
/, -'" и ■■■■
In
(19)
Определим величину устойчивости всей измерительной систе-
мы, приведенную к весовой головке.
Приложим к балансирному статору момент М. Вся измери-
тельная система сместится, при этом рычаг KMN повернется на
угол
«п = , (20)
на нем возникнет восстанавливающий момент Мп, а к концу рычага
будет приложено уравновешивающее усилие Р. Рычаг DEF сме-
стится на угол
N
и
(21)
и на нем возникнет восстанавливающий момент Мд. Если рычаг КММ
не абсолютно жесткий, то шарнир М вследствие деформации рычага
и тяги MF будет иметь дополнительно к „весовому" смещение fj^^
и действительный угол поворота рычага DEF будет:
«о
(22)
58
Аналогично рычаг ABC сместится на угол, также зависящий от
величины деформации рычагов DEF(f^) и KMN:
^ «2/3 + fE fN^ni2 + f+ fE
(23)
и на рычаге появится восстанавливающий момент М,.
Балансирный статор сместится на угол, дополнительно завися-
щий от прогиба рычага ABC (f^):
(24)
и на нем возникнет восстанавливающий момент М©.
Составим уравнение равновесия системы в отклоненном поло-
жении от всех действующих на нее сил и моментов:
Р iihtn —
(25)
В этом уравнении кинематическим соотношением между измеряе-
мым моментом и показанием весов является:
РкИН £^ Ч^*2^'п'
(26)
Остальные члены в правой части уравнения (25) искажают это со-
отношение. Обозначим эти члены через Ру (усилие устойчивости):
М,
In '
(27)
Рассмотрим, в частности,рычаг на упругих шарнирах (рис.22).
Если пренебречь устойчивостью от собственного веса рычага и счи-
Рис. 22. Рычаг с упругими шарнирами.
тать, что центры вращения упругих шарниров расположены на ве-
совой оси рычага, то восстанавливающий момент рычага будет
равен:
где Va, С/с — устойчивости шарниров Л, В, С.
59
Подставляя -в уравнение (28) значения устойчивости отдель-
ных шарниров рычага, ооределяемые по формулам табл. 3 с сум-
мированием по уравнению (18), а также значения углов поворота
шарниров рычага !из формул (20), (22) —(24), подсчитываем вели-
чину возвращающего момента для каждого из рычагов и балан-
сирного статора — Mq, Mi, М2 и Мп и далее усилие устойчивости
Ру из уравнения (27).
Для рычажно-весовых систем с очень жесткими рычагами, в
которых упругие прогибы значительно меньше весовых перемеще-
ний, расчет Ру упрощается, так как из уравнений исчезают члены,
связанные с упругой деформацией рычагов,— /м, !е и др.:
(29)
*2
Относительная устойчивость рычажно-весовой системы
р
л =-^.100%. (30)
Величина а показывает, следовательно, какую часть измеряе-
мой величины воспринимают упругие шарниры рычагов. Чем боль-
ше относительная устойчивость а, тем больше инструментальные
погрешности системы вследствие упругих несовершенств, изменения
температуры, леременной деформации частей конструкции и т. п.
12. Телепередача и регистрация показаний
циферблатных силоизмерительных приборов
С помощью рассмотренных рычажных систем отсчет показа-
ний циферблатных силоизмерительных приборов может произво-
диться на ограниченном расстоянии (до 10—15 м) от балансирного
динамометра, что в ряде случаев оказывается недостаточным. Кро-
ме того, часто возникает необходимость в постоянной или перио-
дической регистрации показаний циферблатных приборов, а в не-
которых случаях в подключении их к быстродействующим счетным
машинам. Мы уже отмечали, что ввиду малой «работоспособности»
квадрантных головок применение передающих устройств с трущи-
мися парами (потенциометры, сельсины) приводит к снижению их
точности; к тому же собственная точность потенциометрических и
сельсинных передач, являющихся по существу параметрическими
датчиками перемещения, значительно ниже точности обычных ква-
дрантных весовых головок. Поэтому для указанных иелей приме-
няются оточетные устройства, которые непосредственнее не контак-
тируют с кв'адрантным или иным уравновешивающим механизмом
либо такой контакт имеет место лишь в момент взятия отсчета.
Для удобства и точности регистрации применяются преимущест-
венно импульсные преобразователи угла поворота указательной
стрелки в дискретные цифровые значения. Ниже приводятся при-
меры подобных отсчетных устройств.
Способ отсчета с помощью дисков с фигурными прорезями и щупов
Примером такого отсчетного устройства служит конструкция,
разработанная Научно-исследовательским и конструкторским ин-
ститутом испытательных машин, приборов и средств измерения
60
масс (НИКИМП). Дистанционная передача показаний с цифер-
блатного указателя на регистрирующий прибор основана здесь на
принципе автоматической телефонии с шаговыми искателями.
В квадрантном указателе на одной оси со стрелкой закреплены
пять дисков с прорезями. Один из дисков служит для фиксации
положения угла поворота и доведения набора до положения, соот-
ветствующего дискретному значению числа, а остальные диски —
для замера четырех разрядов цифр. При взятии отсчета к дискам
подводятся рычаги со щупами, причем глубина проникновения щу-
пов в прорези дисков и поворот рычагов зависят от угла поворота
дисков. Это пр.иводит к размыканию электроконтактов, связанных
с рычагом. Электрические импульсы, посылаемые на вторичный ре-
гистрирующий прибор, выполненный на базе счетной машины типа
СДМ-107, устанавливают шаговые искатели в положение, соответ-
ствующее измеряемой величине усилия. С помощью суммирующего
счетчика ноказание печатается на ленте [Л. 39].
Применяется также импульсный преобразователь, в котором
имеется вращаемый вместе со стрелкой кодировочный диск с вы-
пуклостями и углублениями, расположенными по системе двоично-
го кода. Диск контактирует с токосъемниками, передающими сиг-
нал па электрическую пишущую машину.
Способ отсчета с помощью электрооптической
следящей системы
При этом способе соосно с осью указательной стрелки враща-
ется (от собственного привода) оптическое устройство, посылаю-
щее узкий пучок света на плоскость вращения стрелки. Попадая
на зеркальце, помещенное на конце стрелки, пучок света отража-
ется от него на фотоэлемент. Сигнал фотоэлемента приводит к
выключению счетчика, соединенного с приводом вращения и изме-
ряющего путь прохождения оптического устройства от начального
положения до момента срабатывания фотоэлемента. Таким обра-
зом, показания остановленного счетчика соответствуют положению
указательной стрелки в момент отсчета.
Осуществление данного способа в различных конструкциях
производится по методу статической или динамической компенса-
ции. В первом случае оптическая систем,а движется, следя непре-
рывно за положением указательной стрелки, а в момент точного
совпадения луча света и стрелки реверсивный серводвигатель при-
вода оптического устройства и связанный с ним счетчик или пол-
зунок потенциометра останавливаются. Во втором случае (дина-
мическая компенсация) оптическая система периодически, при взя-
тии отсчета, или непрерывно вращается в одну сторону, а в мо-
мент попадания пучка света в щель фотоэлемента отключается и
останавливается счетчик, измеряющий путь, пройденный оптиче-
ским устройством от начального положения.
Способ отсчета с помощью оптической растровой шкалы
Импульсные цифровые преобразователи этого типа состоят из
шторки, соединенной с квадрантным механизмом, и прозрачной рас-
тровой шкалы с равномерно нанесенными на ней линиями. Луч
света, отбрасываемый вращающимся (со скоростью нескольких обо-
61
ротов в секунду) зеркальным барабаном, обегает растровую шкалу,
с задней стороны которой расположен фотоэлемент. При отклонении
квадранта шторка поворачивается, открыв.ая часть шкалы, пронор-
щюнальную измеряемому усилию. Экспонируемая часть линий на
шкале при вращении источника света прерывает луч, отражаемый
зеркалом на фотоэлемент, соединенный через усилитель с электрон-
ным счетчиком.
В другом подобном счетном устройстве непрерывно вращается
диск с 1 ООО радиально расположенными прорезями, прерывающий
световой луч, падающий на фотоэлемент. Последний расположен на
рычаге, поворачивающемся вместе с указывающей стрелкой.
13. Упругие силоизмерители
Рассмотрим элементарный обобщенный прототип силоизмерите-
ля, основанного на использовании силы упругости деформируемого
элемента.
Рис. 23. Элементарный обобщенный про-
тотип упругого силоизмерителя.
Измеряемое усилие Я, приложенное к плечу L, уравновешивает-
ся на плече / силой упругости винтовой пружины (рис. 23). Винто-
вая пружина принята в качестве прототипа упругого элемента пото-
му, что она наиболее распространена в силоизмерителях и обладает
всеми характерными метрологическими особенностями упругих сило-
измерительных элементов.
Сила упругости Q, создаваемая пружиной при ее деформации
на величину X [см], равна:
Q=S^f'^n. (31)
где (7 —модуль упругости, кГ1см^\
J —диаметр проволоки, см;
Z) —диаметр пружины, см\
п — количество витков.
Если пренебречь отклонением оси пружины от начального поло-
жения (при малых X), то в момент равновесия ir идеальном меха-
низме имеет место равенство P=Q-j^. В реальном механизме возни-
кает погрешность измерения. из-за непостоянства всех факторов,
62
бПреДёЛяющйх ход пружины. Кроме того, донолнительные парциаль-
ные погрешности возникают от переменной составляющей устойчиво-
сти (Af/), трения в шарнирах (мтр) и непостоянства плеча
L(AL). В результате действия этих причин сила Р вызывает ход
пружины Х^фХ и будет иметь место
1 Г..^' Gd^X'
(32)
Погрешность в измерении усилия определяется как полный диф-
ференциал функции Р но всем переменным L, U, X' и др. Найдя
значения частных производных и переходя к конечным величинам
погрешностей, получим (принимая как наиболее неблагоприятный
случай, что все частные погрешности направлены в одну сторону):
|..^ + л.
- PL ^ L^ L
ар
4Ad AG_j_
d
+ Xr + 'D- + ir\j-
(33)
Таким образом, помимо членов, выражающих погрешность
вследствие устойчивости, трения и непостоянства плеч рычажной
передачи, на точность измерения оказывает дополнительное влияние
изменение конструктивных параметров пружины (d, D, п) и модуля
упругости (G) ее материала. При анализе пружинных силоизмери-
телей следует иметь в виду, что все они в той или иной степени
имеют следующие метрологические недостатки: нелинейность, упру-
гие несовершенства, температурные ошибки. Именно влияние послед-
них факторов и вызывает обычно в пружинных силоизмерителях
значительно большие погрешности, чем в силоизмерителях весового
типа. Основная погрешность вызывается влиянием температуры на
жесткость пружины. Так, например, при изменении температуры на
80° С (от —30 до 4-50° С) жесткость пружин из сталей ОВС,
60С2ХА и др. уменьшается на 1,5—2,0%. Для осуществления темпе-
ратурной компенсации применяются спаренные пружины из стали и
инвара, имеющих противоположные знаки изменения жесткости под
влиянием температуры. С этой же целью применяют упругие эле-
менты из сплава постоянной жесткости, на которые не влияет тем-
пература. Благодаря термокомпенсации погрешность весов с упру-
гими элементами составляет 0,1—0,2%, в то время как у некомпен-
сированных весов 0,25—0,5%.
Ошибки от гистерезиса для обычных пружинных материалов со-
ставляют 0,1—0,2% полного перемещения. Для уменьшения вариа-
ции показаний вследствие упругого последействия и гистерезиса на-
пряжения в материале упругого элемента не должны превышать
10—20% предела пропорциональности. Строго говоря, винтов.ая ци-
линдрическая пружина из проволоки круглого сечения не имеет
линейной характеристики; отклонение от линейности достигает 0,5%.
Линейной характеристикой обладают винтовые цилиндрические пру-
жины, изготовленные из проволоки прямоугольного сечения с отно-
шением высоты сечения к ширине а : 6 = 2,5 : 4 [Л. 56].
63
Хорошими качествами обладают цилиндрические фрезерованные
пружины. Например, в сочетании с электрическими датчиками, ра-
ботающими при небольшом измерительном ходе, используются npyj
жины с полукруговыми изгибающимися элементами повышенной
Жесткости. В циферблатных весовых головках могут применяться
более податливые пружины. Они имеют два винтообразно располо-
женных элемента, которые выходят из сплошного среднего кольца
и идут один с правым, а другой с левым наклоном к концевым коль-
цам. В отличие от обычных винтовых цилиндрических пружин, в ко-
торых возникают гистерезисные ошибки измерения вследствие тре-
ния при скручивании концевых плоскостей (зацепов) одна относи-
тельно другой, в указанных, фрезерованных пружинах концевые плос-
кости не скручиваются и гистерезис отсутствует [Л. 108].
Такой же радикальный лрием встречается la пружинных весах
и испытательных машинах, где используются спаренные пружины —
одна с левой, а другая с правой навивкой.
Значительное улучшение точностных характеристик упругих эле-
ментов достигается путем таких упоминавшихся ранее методов об-
работки, как заневоливание и тренировка.
Пружинные силоизмерители по методу отклонения
Принципиально возможны два метода использования пружин
в качестве силоизмерителей: метод отклонения и нулевой метод.
Первый метод состоит в измерении деформации пружины, один
конец которой закреплен неподвижно, а второй связан с подвиж-
ным телом, например с балансирным статором, и снабжен указате-
лем или пером. Обычно применяются винтовые пружины, работаю-
щие на растяжение, а при малых усилиях — консольные упругие
пластины.
В балансирных динамометрах такие пружинные силоизмерители
могут применяться двояким образом. В первом случае основная ве-
личина усилия уравновешивлется гирями, а по пружинному цифер-
блатному силоизмерителю отсчитывается величина небаланса (в диа-
пазоне между значениями веса гирь). Комбинация грузового и пру-
жинного уравновешивания обеспечивает получение высокой точно-
сти, присущей грузовым весам, и быстродействия пружинных весов.
В других конструкциях пружинные весы включаются в измери-
тельную систему между балансирным динамометром и рычажными
весами в качестве соединительного звена, передающего всю нагруз-
ку, и служат лишь для непрерывного приблизительного отсчета по-
казаний, точное измерение осуществляется рычажными весами.
Для особо больших усилий в несколько tojih и более могут нс-
пользов.аться мощные пружинные весы, например крановые пружин-
ные весы Одесского завода имени Старостина типа КЦ-Ю (пределы
измерения 500—10 000 кГ, относительная погрешность 0,33%). Суще-
ственным их недостатком является громоздкость: 1 600 X 870 x 519 Л1Л(.
Однако следует отметить, что при применении менее мощного пру-
жинного силоизмерителя для измерения силы той же величины воз-
никает необходимость устройства большой рычажной передачи и из-
готовления сложного нестандартного оборудования и размеры изме-
рительной системы в целом окажутся не меньшими.
Менее громоздки крановые весы с тарельчатыми пружинами,
производство которых в СССР осваивается в настоящее время.
64
Пружинные силоизмерители аналогично маятниковым обладают
достаточно высокой работоспособностью (в отличие от квадрантных
механизмов), и поэтому для дистанционной передачи их показаний
используются сельсины и другие датчики, создающие небольшой мо-
мент трения. Сельсинная передача применена, например, для реги-
страции показаний пружинного циферблатного указателя грузоподъ-
емностью 5 т. Для устранения влияния тормозящего момента сель-
синов на точность показаний сельсины—датчик и приемник (гипа
БД-404А и БС-404А) работают -в трансформаторном режиме; на ре-
зультате измерения сказывается только мамент трения на валу сель-
сина-датчика. Следящая система изготовлена на базе автоматиче-
ского моста типа МСР1 [Л. 24],
В маломощных пружинных силоизмерителях, где величина рабо-
тоспособности мала, следует применять бесконтактные отсчетчые
устройства. Например, ход упругого элемента может быть преобра-
зован в сигнал двоичного кода путем присоединения к указателю
кодовой шкалы с фотоэлементом.
Помимо винтовых пружин, работающих на растяжение, для из-
мерения вращающего момента применяются также скручивающиеся
упругие элементы. Примером может служить установка балансирно-
го электродвигателя со спиральными измерительными пружинами,
использованная для испытания подшипников и измерения момента
трения до 1,5 кГ-см с погрешностью до 1,5% номинального значе-
ния шкалы (рис. 24).
Статор двигателя покоится на специальных колеблющихся опо-
рах; каждая опора состоит из двух шарикоподшипников (6 и 8).
Внутренние кольца подшипников 6 помещены на цапфах переход-
ных втулок, прикрепленных к статору, а наружные кольца подшип-
ников через промежуточные кольца 7 посажены в больших шарико-
подшипниках 8, помещенных в неподвижных опорах 4. К промежу-
точным кольцам 7 присоединены качающиеся рычаги /7, которые
с помощью вращающихся эксцентриков 7(? приводятся в противопо-
ложное колебательное движение с частотой 2—4 гц. Благодаря
этому устраняется трение покоя, которое при неподвижных подшип-
никах создавало момент около 0,15 кГ' см (при весе электродвига-
теля 5 кГ). Две спиральные пружины 5 создают противодействую-
щий момент и служат одновременно в качестве токоподводов к дви-
гателю. Степень их скрутки является мерой измеряемого вращаю-
щего момента [Л. 114].
Для измерения еще меньших моментов трения применяются тор-
сионные стержни. Угол скрутки отсчитывается световым указателем
с помощью зеркала, закрепленного на валу, соединяющем стержень
с балансирным корпусом, или регистрируется этим лучом на фото-
бумаге. Вследствие безынерционности отсчетного устройства с по»
мощью таких упругих элементов могут быть определены мгновенные
значения момента, в то время как устройства со спиральными пру-
жинами обычно весьма инерционны и пригодны только для измере-
ния среднего значения момента.
Рассмотренные пружинные динамометрические устройства имеют
два принципиальных недостатка: а) ненулевой ход и б) низкую точ-
ность отсчета и регистрации. Этих недостатков лишены пружинные
силоизмерители, выполненные по «нулевому» методу, которые, одна-
ко, имеют меньшее быстродействие.
5 С. М. Кац. 65
Рис. 24. Балансирный динамометр на 1,5 кГ-см со
спиральными измерительными пружинами
/ — указатель и шкала; 2 —электродвигатель; 5 —сборка зажимов;
4 —опоры подшипников; .5 —спиральные пружины; 5 —внутренний
подшипник; 7 —промежуточное кольцо; 5 —наружный подшипник;
—винтовые пружины; /О —эксцентрики; //—качающиеся
рычаги; /2 —привод эксцентриков.
66
Пружинные силоизмерители ^нулевого» Тийй
Рассмотрим две основные схемы, иллюстрирующие особенности
этого метода.
Показанная на рис. 25 схема положена в основу некоторых тя-
говых динамометров, но может 'быть, разумеется, применена в ба-
лансирных и иных динамометрах. Динамометр состоит из коромыс-
ла /, на одно плечо которого действует измеряемое усилие, а с дру-
гим плечом соединены тарный груз 2, уравновеши1В.ающий ббльшую
часть усилия, и силоизмерительная
пружина 3. При небалансе коромыс-
ла замыкается соответствующий элек-
троконтакт 8 и вклю*1ается сервомо-
тор, осуществляющий такое натяже-
ние пружины, при котором коромыс-
ло возвращается в нулевое равновес-
ное положение.
Деформация пружины регистри-
руется самописцем.
Применяется также аналогичное
устройство с пневматическим контак-
том, который через пневмо:распреде-
литель направляет поток воздуха в
ту или иную полость пневмоцилинд-
ра, соединенного с уравновешиваю-
щей пружиной.
Схема динамометрического устрой-
ства, показанного на рис. 26, поло-
жена в основу группового регистри-
рующего манометра ГРМ-2, но мо-
жет бъпъ также применена в других
динамометрических устройствах.
Измеряемое усилие приклады-
вается к 'рычагу /, качающемуся на
упругом ша1рнире 2. Контакты 3 на конце рычага управляют
включением одного из двух электромагнитов 4, который притяги-
вает ролик 5, вводя его в фрикционное сцепление с одним из двух
непрерывно вращающихся дисков 6, приводимых во вращение элек-
тродвигателем 7. Ролик 5, направление вращения которого зависит
ог сцепления его с соответствующим диском, вращает через червяч-
ную передачу 8 винт 9, на который навернута гайка 10 измеритель-
ной пружины 11. При вращении винта изменяется натяжение пру-
жины до тех пор, пока рычаг не придет в состояние равновесия и
контакты не разомкнутся. Число оборотов этого винта, которое слу-
жит мерой измеряемого давления или усилия, регистрируется с по-
мощью двух печатных колес 12—13, имеющих I ООО делений, на бу-
мажной ленте. Класс точности прибора 0,3—0,5.
Рис. 25. Схема пружинного
динамометра.
/ — коромысло; 2—тарный груз;
5 —силоизмерительная пружина;
4 —электродвигатель; 5 —гайка;
5 —перо; 7 —барабан самописца;
S — электроконтакты.
Упругие силоизмерители с электрическими Оатчиками
В последние годы электрические силоизмерители, основанные
главным образом на применении проволочных, индуктивных и емко-
стных датчиков, появляются все в большем количестве и непрерыв-
но совершенствуются. Наиболее многообещающими из них являются
силоизмерители с проволочными тензодатчиками сопротивления (тен-
5* 67
зодинамометры). Что касается балансирных динамометров, то в них
при измерении статических или медленно изменяющихся усилий
применяются -почти исключительно механические и гидравлические
системы. Это объясняется главным образом относительной сложно-
стью аппаратуры и невысокими метрологическими свойствами боль-
шинства современных электрических силоизмерителей.
Однако электрические силоизмерители лучше других систем мо-
гут обеспечить автоматическую регистрацию и дистанционность из-
мерения. Они малоинерционны, обладают неограниченным пределом
измерения; собственно датчики надежны и просты в изготовлении,—
эти качества предопределяют безусловную возможность и целесооб-
разность их применения в балансирных динамометрах во многих
практических случаях.
Рис. 26. Схема пружинного динамометра.
К таким случаям относятся:
1) Измерения в кратковременных переходных режимах. Этот
случай характеризуется необходимостью автоматической регистрации
результатов измерения со сравнительно большой допустимой погреш-
ностью (3—5%).
2) Измерения в длительных неустановившихся режимах; здесь
также необходима автоматическая регистрация, но со значительно
меньшей ошибкой (до 0,5%).
Наибольший интерес представляют динамометры с прополочны-
ми датчиками сопротивления. В настоящее время они широко изго-
тавливаются как у нас, так и за границей и достигли большой сте-
пени совершенства.
Особенности технологии и конструкции тензодинамометров и их
измерительные схемы достаточно хорошо освещены в литературе.
Мы остановимся лишь на некоторых специфических .вопросах, свя-
занных с их применением в динамометрических устройствах.
Тензодинамометры могут работать с питанием от переменного
или постоянного тока. Максимальный выходной сигнал с моста про-
волочных датчиков составляет обычно 10 мв. Они достаточно ком-
68
пактны. Например, тензодинамометры сжатия на нагрузки до 50—
100 7 имеют диаметр до 200 мм и высоту до 250 мм. Упругая де-
формация 0,1—0,25 мм. Средняя квадратичная погрешность а соб-
ственно тензодинамометра, вызываемая главным образом влиянием
температуры на жесткость и форму упругого элемента и солротивле.
ние проволочных датчиков, а также упругими несовершенствами ма-
териала упругого элемента, обычно не превышает нри работе в огра-
ниченном температурном диапазоне ±0,3—0,5%.
1
— ■
la
Рис. 27. Различные типы электротензодинамометров.
а, б—работающие на изгиб; в, г-на растяжение; д, е,ж, и—на сжатие;
5—на кручение; к—с натянутыми обмотками.
Дополнительные погрешности вносятся усилителем (до ±0,3%);
и вибратором осциллографа (до ±0,5%). Поэтому обычно при ре-
гистрации на шлейфовом осциллографе случайная погрешность со-
ставляет от ±0,5% до ±2—3% в зависимости от степени совершен-
ства измерительной системы в целом и обеспечения соответствующих
условий динамометриров.ания.
В балансирных динамометрах могут применяться однокомпо-
нентные тензодинамометры, отличающиеся формой выполнения упру-
гого тела:
а) Динамометры в виде консольной упругой балки, работающей
на изгиб (рис. 27,а). Они пригодны для измерения малых усилий
69
(от долей грамма и выше). Для устранения влияния изгибаюш.их
моментов и непостоянства величины плеча силы / на измерение
упругая балка дополняется двумя тонкими изгибающимися пласти-
нами, воспринимающими лишь незначительную часть измеряемого
усилия (рис. 27,6).
б) Динамометры в виде растягиваемых (рис. 27,в) или сжимае-
мых (рис. 27,(5 и е) элементов, выполняются практически на любые
усилия. Известны сжимаемые тензодинамометры на усилия до
I 500 Т.
в) Динамометры в виде изгибающихся колец (рис. 27,гпж),
работающих на сжатие или растяжение. Упругие тела кольцевого
типа обладают относительно высокой чувствительностью к нагрузке
при большой поперечной жесткости.
г) Динамометры в виде «беличьей клетки», работающей на кру-
чение. На рис. 27,:/ показана установка такого упругого тела между
двигателем / и гидротормозо.м 2, соединенными валом 3. Восприни-
маемый динамометром 4 вращающий момент преобразуется в изгиб
четырех упругих стержней, закрепленных с обеих сторон. Он также
имеет .высокую чувствительность к вращающему моменту при доста-
точной жесткости на изгиб.
Во всех этих схемах в целях силовой и температурной компен-
сации гензодатчики, как правило, наклеиваются со всех сторон упру-
гого тела и включаются в мостовую схему.
Высокая точность достигается при изготовлении упругих тел из
сталей ЗОХГСА, 40Х и др. с максимальным напряжением значитель-
но ниже лредела пропорциональности, т. е. 20—25 кГ/мм^, благода-
ря чему снижаются упругие несовершенства и вредные касательные
напряжения в клеевой пленке датчиков.
Для измерения малых усилий применяются также упругие эле-
менты из материалов с низким модулем упругости (например, бе-
риллиевая бронза, дюралюминий, пластики), однако они более чув-
ствительны к колебаниям температуры.
Для устранения влияния вибраций на показания динамометра
применяются электрические фильтры. В целях увеличения коэффици-
ента затухания при измерениях на переходных процессах иногда
вводится демпфирование с помощью слоя резины, запрессованной
между упругим телом и неподвижным кожухом.
Применяя сжимаемые тензодинамометры следует принимать ме-
ры для устранения поперечных сил и изгибающих моментов, влияю-
щих на точность измерения усилия, направленного по оси тензоди-
намометра. Поперечные силы (рис. 28) возникают, например, вслед-
ствие несоосного направления силы Р при неправильной установке
тензодинамометра / (Pq), вследствие податливости силового пле-
ча 2 или фундамента (Pg), а также из-за влияния температуры на
силовое плечо (Pt). Если имеется фиксированная точка контакта
силового плеча с тензодинамометром, то для уменьшения влияния
силы Pi целесообразно поместить тензодинамометр на упорный под-
шипник (качения или скольжения) так, чтобы могло быть обеспече-
но движение в поперечном направлении (рис. 28,0).
Изгибающий момент Мд возникает вследствие податливости
силового плеча или фундамента, когда сферический элемент тензо-
динамометра может глубоко вдавиться в плоский толкатель 3 или
толкатель имеет коническую раззенковку (рис. 28,6 и в). Изгибаю-
щий момент т^м бр;|ьще, чем больше плечо Лмакс-Для уменьщени>1
70
этого плеча следует применять плоский закаленный толкатель и си-
ловое плечо с повышенной жесткостью.
В тензодинамометрах, работающих на сжатие, для у.меньшения
влияния поперечных сил и изгибающих мо.ментов на измерение при-
меняются упругие стальные мембраны, которые аналогично случаю б
имеют небольшую жесткость в направлении измеряемого усилия и
большую в поперечном направлении. Например, в тензодинамометре
НИКИМП на 5 Г (рис. 27,д) для этой цели упругий измерительный
стержень прямоугольного сечения соединен с корпусом несколькими
прямоугольными пластинками, воспринимающими лишь 1% осевого
усилия. Тензодатчики помещены на 7з высоты упругого стержня, где
изгибающий момент от поперечных сил, действующих на динамо-
метр, уменьшаясь при переходе от пластины к пластине, обращает-
ся в нуль [Л. 62].
Рис. 28. Возникновение погрешностей при неправильной
установке тензодинамометров сжатия.
Большой интерес представляют динамометры с фольговыми дат-
чиками. Фольговый датчик изготавливается из медно-никелевой
фодьги, на которой кислотоупорной краской наносится узор в виде
очертания тензодатчика. Фольга приклеивается к тонкой пленке из
синтетической смолы и затем травится в кислотной ванне до тех
пор, пока не останется только металл, защищенный краской. Фоль-
говый датчик по сравнению с проволочным датчиком имеет значи-
тельно большее отношение площади контакта к объему. Это обеспе-
чивает быстрое рассеивание тепла и как следствие возможность
применения тока, во много раз большего, чем предельный ток для
проволочного тензодатчика. Высокая стабильность и чувствитель-
ность позволяют применять фольговые датчики без усилительной
аппаратуры.
Фольговые датчики применяются, например, в динамометре,
созданном в Центральном научно-исследовательском институае тех-
нологии и машиностроения (ЦНИИТМАШ). В этом динамометре
(рис. 27м) в качестве упругого тела используется стандартный под-
шипниковый шарик. Давление на шарик передается всегда цо цент-
71
ру. На шар наклеивается полный мост из четырех фольговых датчи-
ков: рабочие датчики по «экваториальной» выточке, а компенсаци-
онные— по «меридиональной» [Л. 61].
Особую группу составляют тензодинамометры, у которых про-
волока не приклеивается к упругому телу, а помешена на нем в ви-
де витков с предварительным натяжением. Они отличаются отсутст-
вием сдвигающих усилий на проволоке и повышенной чувствитель-
ностью. На рис. 27л показана схема такого тензодинамометра.
Упругое тело 3 имеет деформируемую кольцевую поверхность, на
которой с предварительным натяжением закреплены проволочные
обмотки. Одна обмотка (6) работает на растяжение, а другая {4)
на сжатие. Между ними располагается обмотка термокомпенсации 5.
Поперечные силы воспринимаются мембраной 2, соединяющей упру-
гое тело с корпусом /.
В другой конструкции [Л. 47] применены две жесткие тарельча-
тые пружины, на внешних нилиндрических поверхностях которых
намотаны винтовые проволочные датчики, активные и компенсацион-
ные. При осадке пружины ее наружный диаметр увеличивается и
проволока растягивается.
Высокой чувствительностью обладают также динамометры, в ко-
торых витки проволоки помещаются не на самом упругом теле, а на-
матываются вокруг нескольких штифтов, прикрепленных к нему. При
деформации упругого тела концы штифтов расходятся, растягивая
или сжимая проволоки обмотки [Л. 68].
Одним из наиболее существенных факторов, определяющих мет-
рологические качества электротензодинамометра, является способ от-
счета и регистрации показаний. В обычной практике тензометриро-
вания наиболее распространенным методом регистрации кратковре-
менных и неустановившихся процессо-в является запись на осцилло-
графе. Однако расшифровка оптической записи на бумаге или плен-
ке осуществляется с погрешностью до 1—2% и более.
Точность измерения может быть значительно увеличена, если
регистрировать на шлейфе не всю измеряемую величину, а лишь
часть ее, составляющую, например, 5—*10% максимального значения
усилия. Для этого перед измерением в одно из плеч измерительного
моста включается в виде шунта заранее выбранное компенсирующее
сопротивление, которое вызывает разбаланс моста, примерно равный
по величине, но противоположный по знаку разбалансу от ожидае-
мого измеряемого усилия. Во в|ремя измерения на шлейфе осцилло-
графа регистрируется величина, равная разнице между измеряемым
и известным компенсирующим сопротивлениями. В динамометре,
имеющем такую компенсацию, от мостовой схемы тензодатчиков ра-
ботают два канала: «грубый», которым регистрируется полное зна-
чение усилия в течение всего цикла измерения, включая переходные
процессы, и «чувствительный» с компенсирующим сопротивлением.
Для устранения влияния на результаты измерения колебаний напря-
жения питания тензодатчиков и коэффициента усиления в оба кана-
ла до и после измерения подаются масштабные импульсы. В одном
из «выполненных устройств наибольшая погрешность измерения
(включая погрешность регистрации и расшифровки) на температур-
ном диапазоне работы тензодатчиков ±40° С составила по грубому
каналу ±1,5% и по чувствительному каналу ±0,4% (в установив-
шемся режиме).
72
Вообще следует отметить, что при применении вторичных при-
боров, основанных на прямом методе измерения, погрешность
(вследствие непостоянства напряжения питания и коэффициента усл.
ления) составляет не менее ±0,5—1%-
Большая точность регистрации может быть получена с помощью
«нулевых» методов измерения. Питание датчиков и вторичного при-
бора в этом случае может осуществляться от одного общего источ-
ника питания, и поэтому погрешность от колебаний напряжения пи-
тания существенно уменьшается.
Работа двигателей, испытываемых на балансирных динамомет-
рах, характеризуется, как правило, пепрерывны.м колебанием тормоз-
ного момента даже в. установившихся режимах. 'При измерении мед-
ленно изменяющихся усилий ббльшую точность по сравнению с ме-
тодом регистрации на шлейфовом осциллографе можно получить за
счет при.менения соответствующим образом приспособленного стан-
дартного быстродействующего автоматического потенциометра.
Такой метод применен в разработанных Одесским СКБИМ и за-
водом имени Старостина тензометрических крановых весах, у кото-
рых вторичный показывающий и регистрирующий прибор выполнен
на базе автоматического потенциометра ЭПП-09. В этих весах, ко-
торые могут быть применены для измерения усилий до 5, 10, 15 и
30 т с погрешностью не более 0,3—0,5% от предельной нагрузки и
с мини.мальным временем взвешивания 8 сек, используются четыре
силоизмерительных элемента квадратного сечения, работающих на
сжатие.
В другом типе регистрирующего прибора вместо компенсирую-
щего проволочного сопротивления применяется плоская балочка, на
которую наклеены два проволочных компенсационных тензодатчика,
образующих вместе с двумя датчиками тензодинамометра мостовую
схему. Напряжение переменного тока, возникающее в измерительной
диагонали моста при из.менении усилия, приложенного к динамоме-
тру, усиливается и вызывает вращение двухфазного реверсивного
мотора. Мотор через червячную передачу перемещает перо диаграмм,
ного самописца и одновременно изгибает плоскую балочку с ком-
пенсационными тензодатчиками до тех пор, пока мост не будет ургв-
новешен. В этом приборе, имеющем несколько диапазонов измерения,
время прохождения пером всей шкалы (200 мм) не превышает 3 сек,
погрешность компенсации при нормальных условиях не более ±0,57о-
Однако и эти методы недостаточно удовлетворительны ввиду
необходимости расшифровки записи на диаграммной ленте.
Более совершенными являются методы цифровой записи, приме-
ненные в ряде современных регистраторов электротензометрических
динамометров, работающих обычно в режиме статической компенса-
ции. Для этого проволочные датчики включаются в мостовую схему
и при деформации упругого тела напряжение разбаланса моста, уси.
ленное электронным усилителем, управляет вращением электродви-
гателя, ротор которого соединен с ползуном реохорда, осуществляю-
щего уравновешивание моста и с цифровым отсчетным устройством.
В одной из конструкций регистратора с подвижным кон-
тактом реохорда связана подвижная шкала с 200 делениями, по
которой против неподвижного указателя производится визуальный
отсчет положения контакта. Для увеличения точности измерения при-
меняется шунтирование реохорда дополнительными сопротивления-
ми. Регистрация осуществляется путем записи на бумажной ленте
73
(с помощью удара бойком или прикаткой роликами) показаний
с другой шкалы, вращающейся совместно с визуальной шкалой. Рас-
.хождение между средними арифметическими и показаниями иа лю-
бой точке шкалы регистратора не превышает ±0,2% от шкалы.
В электротензодинамометрах употребляются также цифропеча-
тающие регистраторы, преобразующие угол поворота электродвига-
теля реохорда в дискретные числовые значения [Л. 96]. Для этого
с валотл уравновешивающего электродвигателя соединяются сту-
пенчатые кулачки ч система ощупывающих пальцев. .После останов-
ки электродвигателя и кулачков в неподвижиом балансном положе-
нии ощупывающие пальцы выдвигаются из их исходных положений
и касаются кулачков. Зубчатые рейки на пальцах вращают при этом
шестерни цифровых колес. После этого приходит в действие печа-
тающий механизм, который ударяет вниз и отпечатывает измеряе-
мую (величину на карте или ленте, на-
ходящейся над цифровыми колесами;
пальцы затем отодвигаются обратно к
исходной позиции.
Рис. 29. Регистратор по методу динамической компенсации.
/ — датчик динамометра; 2—проволочный тензддатчик; 5—усилитель; 4—
двигатель; 5—реохорд; 5—ползунок; 7 —нуль-индикатор; 5 —барабан;
5—передача; —винт ходовой; // — адаптер; /2 —отметчик; /5—привод-
ная ось; /4—бумага; /5—шкала; /5 —лампа.
В ряде случаев электротензодинамометры снабжаются кодовы-
ми преобразователями, дающими, в частности, возможность подклю-
чать динамометры к быстродействующим счетным машинам. Прин-
цип работы преобразователя состоит в следуюшем. Электрическое
напряжение, вырабатываемое датчиками, автоматически компенси-
руется релейной схемой с шаговым искателем, подключающим по-
очередно различные компенсирующие напряжения, значения которых
соответствуют бинарному ряду чисел. Результат измерения усилий
выдается непосредственно в бинарной форме или преобразуется
в десятичную систему счисления.
Описанные выше компенсационные методы мало пригодны для
точной регистрации кратковременных и переходных неустановивших-
ся процессов. Возможным решением этой задачи является примене-
ние регистратора, работающего по методу динамической компенса-
ции. Принципиальная схема такого регистратора может быть выпол-
нена, как показано на рис. 29. Как -видно из схемы, проволочные
гензодатчики, наклеенные на упругом элементе 7, также включаются
в мостовую схему, разбаланс которой уравновешивается реохор-
74
дом 5. Ползунок 6 реохорда вращается непрерывно в одну сторону
от электродвигателя 4, включенного непосредственно в сеть. Благо-
даря этому реохордом создается пилообразное уравновешивающее
напряжение, период которого зависит только от скорости вращения
электродвигателя. Нуль-индикатор 7 в момент уравновешивания пи-
лообразного напряжения реохорда с напряжением разбаланса моста
вырабатывает сигнал, посылаемый на адаптер /У, который снабжен
искровым или другим отметчиком 12. Адаптер перемещается вдоль
образующей барабана 8 с помощью винта 10, связанного шестерен-
чатой передачей 9 с приводной осью 13 так, что при одном поворо-
те барабана с бумагой адаптер перемещается вдоль его образующей
на величину регулируемого шага. Визуальная шкала представляет
собой, например, диск с оцифрованными штрихами, помещенный
в закрытом корпусе с окном. Окно освещается неоновой лампоч-
кой 16, включаемой нулыиндикатором, и отсчет непрерывно вра-
щающейся шкалы становится возможным в результате стробоскопи-
ческого эффекта. Динамический компенсатор может дать возмож-
ность регистрировать кратковременные процессы с погрешностью от-
счета, значительно меньшей, чем на шлейфовом осциллографе.
Упругие силоизмерители с пневматическими датчиками
В этих силоизмерителях деформация упругого тела измеряется
пнев.матическим реле, которое состоит из сопла, перекрывающегося
плоской заслонкой или шариком. Перед измерительным соплом на-
Рис. 30. Пневматический упругий динамометр.
ходится постоянное входное сопло меньшего диаметра, к которому
подается сжатый воздух под стабилизированным давлением. Давле-
ние в линии между этими соплами зависит от степени перекрытия
из.мерительноого сопла.
Для уяснения принципа действия рассмотрим два характерных
примера.
В динамометре, показанном на рис. 30, нагрузка передается ша-
риками 3 на упругое разрезное кольцо /; деформация кольца изме-
75
ряется пневматической головкой 2. Измерительный наконечник 4 го-
ловки контактирует с цементированной пятой 5, припаянной к по-
верхности кольца, и при деформации кольца перемещается, изме-{яя
перекрытие сопла, помещенного внутри головки.
Другой Т1Ш пневматического динамометра (рис. 31) отличается
отсутствием каких-либо трущихся или контактирующих частей.
В этом случае деформация упругого тела / вызывает непосред-
ственное смещение детали 2 с измерительным соплом (диаметром
1,8 лш), к которому подводится воздух, относительно заслонки S,
перекрывающей выход воздуха из сопла. Измерительный диапазон
разбит на две части: 0—500 и 500—^1 ООО кГ. Для изменения диапа-
зона заслонка снабжена мелкой
резьбой, с помощью которой можно
устанавливать начальную величину
зазора. Указателем служит водяной
500
О твоошоюоо кГ
Рис. 31. Пневматический бесконтактный упругий, динамометр
и его характеристика.
манометр со шкалой 500 мм (рабочий участок — около 350 мм).
При максимальной нагрузке 1 400 кГ упругий прогиб составляет
0,11 мм [Л. 99].
Так же как и обычные иневмоизмерительные приборы, упругие
пневматические дина.мометры работают как при низком (давление
питания 300—1 200 мм вод. ст.), так и лри высоком давлении воз-
духа (0,5—2 кГ/см^). Пневматические динамометры могут снабжать-
ся расходомерами ротаметрического или манометрического типа, по-
следний предпочтителен.
Расчет динамометров сводится в основном к выбору диаметров
входного и измерительного сопел и величины необходимого измери-
тельного перемещения, причем в целях уменьшения влияния упругих
несовершенств ход упругого тела не должен превышать 0,1—0,3 мм
(материалы по расчету лневмоизмерительных устройств имеются, на-
пример, в [Л. 13]).
При .выборе рабочего участка шкалы следует иметь в виду, что
градуирование шкал пневматических динамометров производится
легче, чем у пневматических приборов, применяющихся для контро-
ля размеров, и осуществляется с любым количеством базовых точек
с помощью обычных тарировочных грузовых устройств. Поэтому
шкала может быть принята более неравномерной. .
76
ГЛАВА ТРЕТЬЯ
ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ И ПНЕВМАТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ
ИЗМЕРЕНИЯ УСИЛИЙ И ВРАЩАЮЩИХ МОМЕНТОВ
Гидравлические и пневматические силоизмерители (мессдозы),
в которых уравновешивающее усилие создается давлением жидкости
или воздуха на диафрагму или поршень, ио конструкции и эксплуа-
тации достаточно просты и дают возможность дистанционного точ-
ного измерения усилий практически любой величины.
В современной практике применяются следующие виды гидрав-
лических мессдоз:
1) статические диафрагменные;
2) проточные диафрагменные и поршневые;
3) компенсационные диафрагменные и поршневые.
Пневматические силоизмерители разделяются на две группы:
1) проточные пневматические мессдозы {с внешней или совме-
щенной дросселирующей камерой);
2) компенсационные пневматические мессдозы.
Упругие пневматические силоизмерители, составляющие особую
группу, рассматрив.ались в гл. 2.
14. Статические диафрагменные массдозы
Простейшая конструкция таких силоизмерителей представляет
собой в схеме гидравлический пресс, состоящий из «поршня» и «ци-
линдра», между которыми имеется полость, заполненная жидкостью
и гер.метизированная эластичной мембраной. Усилие, действующее на
поршень, уравновешивается давлением рабочей жидкости в полости,
которое измеряется манометром. На рис. 32—36 показаны несколько
характерных конструкций этих силоизмерителей.
Конструкция мессдозы с одной диафрагмой удовлетворительно
работает лишь в случае точного осевого приложения усилия к порш-
ню. Обычно же измеряемое усилие прикладывается к поршню с не-
которой боковой составляющей, и поэтому принимаются меры для
того, чтобы это боковое усилие не оказывало вредного действия на
чувствительную тонкую диафрагму и не создавало трения между
поршнем и цилиндром. С этой целью применяются либо шариковые
направляющие, либо кольцевая перемычка (рис. 32), которая центри-
рует поршень относительно крышки с зазором 2—3 мм и восприни-
мает значительные поперечные усилия. Кроме того, она поддержи-
вает диафрагму, образующую мостик в зазоре между поршнем и
.цилиндром. Такая перемычка делается из тонкой пружинной стали,
имеет ряд кольцеобразных прорезей и упруго выгибается при дви-
жении поршня, не создавая заметного сопротивления: трение в по-
движных деталях практически отсутствует.
Рабочие (герметизирующие) диафрагмы располагаются по плос-
кости поршня и перемычки. Для давлений до 10 кГ/см^ они изготав-
ливаются из высокопрочной прорезиненной мембранной ткани толщи-
ной 0,3—0,8 мм или из бериллиевой бронзы толщиной 0,05—0,06 л'м.
Прорезиненные ткани могут быть на стеклянной, шелковой и капро-
новой основе; последняя дает наименьший гистерезис. Диафрагмы
из бериллиевой бронзы отличаются от диафрагм из прорезиненных
тканей своей линейностью и отсутствием гистерезиса.
77
Для более высоких, давлений используется листовая маслобен-
зсстойкая резина средней твердости по ГОСТ 7338-55 толщиной 2—
3 мм или тонколистовая сталь (в. виде гофрированной мембраны).
Применяются также литые резиновые диафрагмы, структурно под-
Сжатый
воздух
Рис. 32. Статическая диафрагменная мессдоза.
/ — основание; 2 —поршень; 5—крышка; 4—диа {зрагма; 5—перемычка;
б—манометр-указатель; 7 —редуктор давления; 5—баллон с проливоч-
ной жидкостью; 9 и —краны; // — импульсная трубка.
держанные радиально расположенными нейлоновыми лентами (дли
давлений до 125 кГ/см^).
На точность измерения статических мессдоз большое влияние
оказывает о^имаемость рабочей жидкости. Сжимаемость жидкостей
обычно составляет примерно 0,5% на 70 кГ/см'^.
Дгву7виие, кГ/cuL^
300
Рис. 33. Сжимаемость различных жидкостей,
/—глицерин; 2—спиртоводяная смесь; 5—вода; 4—жид-
кость на базе касторового масла; .5—минеральное масло;
5—силиконовая жидкость.
Наименьшую сжимаемость имеют глицерин и спиртоводяные
смеси, наибольшую — минеральные масла и силиконовые жидкости
(рис. 33) [Л. 65].
На сжимаемость жидкости влияет также воздух, который может
растворяться в жидкости либо находиться в ней в свободном виде.
78
Растворимость воздуха в обычных жидкостях составляет около 10%
лри комнатной температуре и атмосферном давлении и линейно воз-
растает при увеличении давления. Этот растворенный воздух мало
влияет на сжимаемость жидкости, только свободный воздух, «за-
хваченный» сверх растворимого, который попадает в жидкость нри
заполнении системы или через неплотности, может приводить к не-
устойчивости в работе. Поэтому важно, чтобы весь свободный воз-
дух был исключен из гидравлической системы мессдозы. Что касает-
ся растворенного воздуха, то он при определенных обстоятельствах
может освобождаться из раствора и, как и захваченный воздух, уве-
личивать сжимаемость.
При отсутствии воздушных мешков в системе перемещение диа-
фрагмы зависит от изменения рабочего объема манометрического из-
мерительного прибора; деформациями диафрагмы, корпуса силоизме-
рителя и соединительных трубок можно пренебречь. Общий ход
поршня под действием полной нагрузки не превышает обычно 0,05—
0,1 мм.
Чем меньше перемещение диафрагмы, тем выше точность изме-
рения, поэтому принимают все меры для удаления воздуха из си-
стемы. Для исключения возможности образования воздушных меш-
ков днище поршня^делается с небольшим конусом (^1°) к центру
и выпуклым в наружную сторону, а в наивысшей точке масляной
полости предусматривается отверстие с краном 10 для стравлива-
ния воздуха при заполнении силоизмерителя жидкостью. Заполнение
системы производится выдавливанием рабочей жидкости при помощи
сжатого воздуха из баллона 8 при открытых кранах 9 и 10. Запол-
нение импульсной магистрали // и трубки Бурдона манометра б
производится обычно предварительно на отдельной вакуумной уста-
новке, где перед заполнением жидкостью из них откачивается воз-
дух. Однако иногда, несмотря на принятые меры, часть воздуха
остается неудаленной. Этот воздух и упругость системы в целом
приводят к заметным перемещениям поршня, что является одним из
существенных недостатков статических силоизмерителей.
Другим серьезным недостатком статических силоизмерителей
является реакция на температурные изменения. Поскольку рабо-
чая жидкость мало сжимаема и помещена в закрытой системе,
колебания температуры приводят к изменению давления масла, вы-
зывая тем самым погрешности указывающего прибора приблизитель-
но 0,5% для изменения температуры на 10° С. Для работы в доста-
точно большом температурном диапазоне иногда употребляется ав-
томатическое компенсирующее устройство. Оно состоит из неболь-
шой капсулы с тем же маслом, что и в силоизмерителе, расположен-
ной поблизости от него и соединенной трубкой с маленьким цилинд-
ром в манометре. Когда вследствие изменения температуры изме-
няется объем масла, компенсирующая сила оказывает давление на
трубку Бурдона через соответствующим образом подобранную пру-
жину,
В ряде конструкций для увеличения точности измерения малых
усилий применяются предварительно нагружающие пружины, кото-
рые при отсутствии измеряемого усилия создают первоначальное
избыточное давление масла 1—2 ат\ че.м достигаются устойчивые
нулевые показания. С этой же целью применяется также метод
подпитки, заключающийся во введении масла в замкнутую гид-
равлическую полость силоизмерителя для создания в ней некоторого
79
начального давления' (обычно до 1 ат). Благодаря этому поршень
при нулевой нагрузке отжимается до упора, н только при приложе-
нии измеряемого усилия, превышающего величину, равную произве-
дению эффективной площади поршня на давление подпитки пор-
шень отходит от упора. Величина подпитки определяет, следовате/ть-
но, нижний предел измерения. Благодаря подпитке может быть
значительно уменьшено влияние воздушных включений, уменьшен
ход поршня и в целом увеличена точность измерения. К недостат-
ку метода подпитки относится влияние температуры на замкнутый
гидравлический объем, что приводит к изменению давления подпитки
и необходимости периодической корректировки давления подпитки
при отсутствии нагрузки.
Выбор рабочей жидкости определяется главным образо.м темпе-
ратурой за.мерзания (особенно для работы в зимнее время), вяз-
костью (повышенная вязкость — для поршневых систем высокого
давления) и сжимаемостью.
В качестве рабочей жидкости в гидравлических силоизмерите-
лях применяют различные масла (масло грозненское МС нормаль-
ной и повышенной вязкости, трансформаторное, турбинное, веретен-
ное, вазелиновое, касторовое), смесь масла с керосином, техниче-
ский глицерин, спиртоглицериновые и водоглицериновые смеси
(обычно 40% глицерина по объему) и некоторые другие жидкости.
Спиртоглицериновые (40% спирта) и спиртоводоглицериновые
смеси применяются как незамерзающие при низких температурах.
Недостатком этих смесей является наличие растворимого в них воз-
духа, который с течением времени выделяется в виде пузырьков.
В статических силоизмерителях давление жидкости измеряется
либо жидкостным, например ртутным, пьезометром, либо пружин-
ным манометром (рабочие манометры класса 1—2, образцовые и
контрольные класса 0,2 и 0,5). Для увеличения чувствительности
отсчета измеряемые усилия могут быть разбиты на несколько диа-
пазонов. В одной из конструкций силоизмерителя с предельной на-
грузкой 2 ООО кГ низший диапазон обеспечивал полное отклонение
шкалы манометра при нагрузке ilOO кГ.
Нужно подчеркнуть, что вследствие малого перемещения порш-
ня инерция в системе сравнительно невелика и зависит в основном
от длины соединяющих трубопроводов.
Вибрирующие или частотные нагрузки, приложенные к силоиз-
мерителю, могут значительно снизить точность отсчета среднего
значения усилия вследствие колебания стрелки. Для устранения это-
го недостатка в линии между силоизмерителем и манометром уста-
навливается гидравлический демпфер, в качестве которого, напри-
мер, употребляется игольчатый вентиль. Перекрывая иглой проход-
ное сечение, мы создаем сопротивление потоку жидкости, пропор-
циональное скорости движения последней. При резких силовых толч-
ках сечение должно пропустить относительно большие объемы
жидкости, что вызывает большие скорости протекания последней,
а следовательно, и значительное сопротивление. При медленно изме-
няющихся усилиях скорость протекания жидкости невелика и сопро-
тивление вентиля практически незначительно. Перемещая конус вен-
тиля, можно установить любую степень демпфирования системы.
Поршень в рассмотренном виде силоизмерителя имеет три сте-
пени свободы: перемещение вдоль своей оси и поворот относительно
двух осей, расположенных в плоскости диафрагмы. Поэтому пор-
80
шень представляет собой кинематический шарнир и должен жестко
соединяться с силонагружающей деталью, которая противодействует
повороту поршня.
Более удобными являются конструкции, в которых для устра-
нения лишних степеней свободы поршень снабжают упругой направ-
ляющей, расположенной на заметном расстоянии от кольцевой пе-
ремычки (или даже двумя направляющими, разнесенными по высоте
поршня). Упругая направляющая вместе с перемычкой восприни-
мает боковые силы, а также момент от пары сил, возникающий
в случае приложения измеряемой силы с эксцентрицитетом по отно-
шению к равнодействующей силы давления в полости силоизмери-
теля.
Рис. 34. Статическая диафрагменная
мессдоза типа Emery.
/—грузовая головка; 2 и 4—вставки; 5—шарик;
5—упругая направляющая; tf—резиновое кольцо;
7—пружина; 5—поршень; диафрагма; 10—
перемычка; //—основание.
В качестве примера может служить статическая мессдоза фир-
мы Emery (рис. 34). Усилие прикладывается к поршню через кату-
чнй шарик, помещенный между двумя закаленными вставками. Это
лает возможность детали, передающей измеряемое усилие на месс-
дозу, при температурных или иных смещениях скользить беспрепят-
ственно вбок.
Своеобразное выполнение имеют мессдозы, в которых поршень
связан с крышкой резиновым кольцом (рис. 35). Для этого поверх-
ности поршня и крышки омедняются и заливаются резиной, причем
соединение между металлом и резиной становится прочнее, чем сама
резина. Необходимость в диафрагме отпадает. Такая конструкция
совершенно свободна от трения, а гистерезис резины при малых
перемещениях незначителен и на него не влияет эксцентричное на-
гружение. В качестве рабочей жидкости здесь применяется смесь
глицерина и дистиллированной воды. Наибольшая из известных
мессдоз этого типа измеряет усилие до 500 Т.
Представляет интерес гидросистема для измерения вращающего
момента, показанная на рис. 36.
6 С. м. Кац. 81
Вращающий момент на балансирном корпусе воспричимаетбй
двумя мессдозами /. От мессдоз давление жидкости передается
к поршням дистанционно расположенного дифференциального гидро-
приемника 5. Усилие ча гидроприемнике воспринимается весами 7,
снабженными комленс анион-
ным механизмом и системой
автоматической регистрации
показаний.
Благодаря нримененню
двухпоршневого пидроприем-
ника возможно измерение
вращающего ,мо;мента обоих
знаков. Для измерения отри-
цательного момента весы
предварительно нагружаются
противовесом 6. Каждый гид-
роприемник состоит из порш-
ня, резиновой диафрагмы и
плоского цилиндра. Резиновая диафрагма ллотно натягивается на
цилиндр и закрепляется сначала танкой проволокой вокруг коль-
цевого паза на наружной стенке цилиндра, а затем фасонным
кольцом. Поршень приклеивается к резиновой диафрагме с зазо-
ром 1,5 мм между поршнем и фасонным кольцом.
Рис, 35. Статическая мессдоза.
/ — поршень; 2—крышка; резиновое
кольцо; 4 —основание.
Рис. 36. Гидравлическая система для измерения вращающего
момента.
Гидролриемник снабжен контактами, связанными с комленсаци-
онным электродвигателем, который с помощью червячного механиз-
ма может изменять длину тяги, соединяющей гидроприемник с ры-
чажным механизмом весов.. При леремещении поршней гидролрием-
ников в ту или иную сторону контакты замыкаются и включает-
ся электродвигатель, что вызывает изменение длины соединитель-
82
ной тяги, пока поршни гидропрпемника, а вместе с этим и мессдозы
не вернутся в нулевое положение. Благодаря этой компенсационной
системе движение поршней поддерживается в пределах ±0,025 мм.
несмотря на значительный ход квадрантного механизма весов. Уси-
лие, передаваемое гидроприемником на весы, пропорционально раз-
ности между усилиями на двух мессдозах и поэтому практически не
зависит от температуры и давления внешней среды. Для заполнения
системы и регулирования давления в трубопроводах служат ручные
впрыскивающие насосы 4, установленные в низшей точке системы.
Насосы выполнены так, что рабочая жидкость может быть введена
в трубопроводы для повышения давления или выведена из них без
захвата воздуха в трубопроводы. Манометры, установленные у на-
сосов, служат для контроля первоначального давления в системе и
его регулирования. В системе имеются предохранительные клапа-
ны 2, которые открываются, если создается чрезмерное давление.
Демпфирование в системе достигается с помощью демпфера, на-
ходящегося внутри весов, а также игольчатых вентилей 3, установ-
ленных в трубопроводах. В диапазоне от 20 до 100% номинального
значения шкалы наибольшая относительная погрешность не превы-
шает 1%.
В практике динамометрирования получили распространение так-
же сильфонные мессдозы. Главное преимущество их перед диафраг-
менными и поршневыми конструкциями — обеспечение полной гер-
метичности системы.
В качестве примера можно сослаться на динамограф ДТ Все-
союзного научно-исследовательского института механизации сельско-
го хозяйства (ВИМ). Он состоит из силового датчика (тяговое зве-
но) и регистратора. Измеряемое усилие (до 1,5 и 3 Т) восприни-
мается в тяговом узле сильфоном из нержавеющей стали, а для
устранения перекосов сильфона его тяговый стержень скользит по
направляющим роликам.
Давление жидкости передается на сильфон регистратора, имею-
щий меньший диаметр. Усилие на этом сильфоне воспринимается ги-
лоизмерительной пружиной, ход которой через повышающую ры-
чажную систему записывается иглой на диаграмме высотой 50 мм.
Изменение гидравлического объема динамографа и тем самым сме-
щение нулевой точки осуществляется с помощью сильфонного ком-
пенсатора [Л. 30].
Особую группу составляют силоизмерители, в которых основ-
ная часть нагрузки воспринимается жесткостью толстой стальной
упругой мембраны, которая обычно вытачивается вместе с корпу-
сом мессдозы, а давлением рабочей жидкости уравновешиваются
только 2—5% усилия. Преимуществом такой конструкции является
отсутствие направляющих. Благодаря высокой жесткости мембра-
ны при измерении допускаются большие боковые силы.
Значительное распространение получают различные гидроэлек-
трические мессдозы, которые делятся на две группы.
К первой группе относятся мессдозы с электрическими датчика-
ми, измеряющими давление непосредственно в рабочей полости
мессдозы. Примером служит мессдоза «Телепрессметр» [Л. 80]. В ней
измеряемое усилие воспринимается давлением масляного слоя и ча-
стично жесткостью упругой стальной мембраны. Давление масла из-
меряется с помощью наклеиваемых проволочных тензодатчиков, ко-
торые деформируются при изгибе другой мембраны, закрепленной
6* 83
в днище рабочей полости мессдозы. В мостовую схему включаются
также компенсационные тензодатчики, сопротивление которых при
изгибе этой мембраны не изменяется.
На практике успешно применяются также диафрагменные месс-
дозы обычного типа с электрическим датчиком давления жидкости,
ввинчиваемым непоаредственню в корпус меоодозы.
Вторая группа 1включает мессдозы, давление в которых изме-
ряется манометрами с трубчатыми пружинами. Подвижной конец
пружины связан с якорем дифференциального трансформаторного
датчика перемещений; указателем служит автоматический мост со
стрелочным отсчетным устройством или печатающим аппаратом.
15. Проточные мессдозы
Основными причинами неточности статических мессдоз являют-
ся, как мы уже отмечали, влияние изменения температуры рабочей
жидкости, возможность утечек через неплотные соединения и т. п.
Введение в гидравлическую схему впрыскивающих насосов при-
водит к положительным результатам лишь при постоянном наблю-
дении за системой, что усложняет работу обслуживающего персо-
нала и не устраняет, конечно, полностью возможность появления
погрешностей измерения. Поэтому в последние годы получили рас-
пространение гидравлические силоизмерители проточного и компен-
сационного типов как мембранные, так и поршневые, которые лише-
ны указанных недостатков.
Следует отметить также, что в качестве указателей статических
мессдоз применяются почти исключительно манометры, образующие
с полостью мессдозы замкнутый объем. Однако обычные стружин-
ные манометры непригодны для получения требуемой часто точности
0,1—0,2% верхнего предела показаний при тяжелых условиях экс-
плуатации в течение длительного времени, а ртутные пьезометры
имеют ограниченный предел измерений и нежелательны по сообра-
жениям безопасности труда. В тех же случаях, когда для статиче-
ской мессдозы .п!рименяется манометр с неуплотненным поршнем'(на-
пример, в поршневых динамографах ДПМ НИКИМП), поршень
мессдозы вследствие утечек жидкости перемещается, пока не упрется
в торец цилиндра, и работоспособность системы восстанавливается
лишь после заправки ее новой порцией жидкости.
В то же время для проточных и компенсационных силоизхмери-
телей могут быть применены более точные рабочие поршневые ма-
нометры (класса 0,1 и точнее). Здесь неизбежная непрерывная утеч-
ка жидкости в поршневой паре в определенных пределах не влияет
на измерение. Поршневые манометры в своем обычном выполнении,
однако, пригодны только для измерений дискретных значений дав-
ления. Решение задачи может быть достигнуто за счет применения
специального прибора, представляющего собой комбинацию поршне-
вого манометра с неуплотненным поршнем и весового устройства,
уравновешивающего силу, действующую на поршень.
Проточные диафрагменные мессдозы
Одна из конструкций диафрагменной мессдозы проточного типа
показана на рис. 37. В отличие от статических мессдоз рабочая
жидкость непрерывно подается насосом в полость мессдозы и зы-
84
ходит из нее. через дроссельный клапан, шток которого связан с по-
движным поршнем. При нагружении мессдозы поршень, и шток
сдвигаются и в результате увеличения гидраивличеокого сопротивле-
ния клапана давление в полости силоизмерителя повышается до ве-
личины, уравновешивающей приложенное к поршню усилие. При
уменьшении усилия поршень отойдет вверх, что вызовет увеличение
проходного сечения клапана, а вместе с тем и падение давления на
подающей линии насоса. Таким образом, в зависимости от из-меряе-
мого усилия проходное сечение клапана все время автоматически
устанавливается на величину, соответствующую уравновешивающе-
му давлению жидкости.
' I 2-
Рис. 37, Проточная диафрагменная мессдоза.
/—мессдоза; 2 —манометр; 5—маслобак; 4—насос; 5—фильтр;
5—перепускной клапан.
Изменение температуры жидкости ведет в этой схеме к «дрей-
фу» нулевой точки вследствие изменения вязкости, а отсюда и со-
противления масла в выходном трубопроводе. Градуировка осталь-
ного участка шкалы мессдозы после некоторого усилия Ро, соответ-
ствующего максимальному «холостому» давлению в мессдозе при
отсутствии нагрузки на поршне, не изменяется. Поэтому проточные
силоизмерители должны иметь предварительную нагрузку, не мень-
шую Ро.
В других проточных силоизмерителях клапан вынесен наружу и
связан с поршнем через рычаг, чем достигается уменьшение хода
поршня.
К этому же типу относятся пневматические мессдозы проточ-
ного типа, измеряемое усилие в которых уравновешивается давле-
нием воздуха, непрерывно протекающего через динамометр.
В простейшем виде такой мессдозой может служить устройство,
состоящее из плоской круглой пяты и такого же подпятника, снаб-
женного невысоким кольцевым буртом по периферии. Сжатый воз-
дух подается через входное сопло к отверстию в центре подпятни-
ка и выходит через кольцевой зазор бурта наружу. При увеличении
нагрузки зазор уменьшается и давление воздуха под пятой увеличи-
вается, причем это да1вление постоянно в полости, ограниченной
дросселирующим буртом, и падает до атмосферного на длине бурта.
85
Примером мессдозы подобного типа может служить конструк-
ция, изображенная на рис. 38. Измеряемое усилие передается через
колпак / на мембрану 2. Мембрана вместе с конусом 3 прикрепле-
на к гильзе 5, навинченной на втулку с внутренним конусом 4. Де-
тали 3 п 4 образуют измерительное сопло, в которое через входное
сопло 7 подается воздух. Изменению усилия от 60 до 150 Г соответ-
ствует изменение давления 30—380 мм вод. ст. в полости между
входным и измерительным дросселем с удовлетворительной линей-
ной зависимостью [Л. 76].
Сжатый
воздух
Рис. 38. Проточная пневматическая
мессдоза.
7 —колпак; 2 —мембрана; конус; «^—втулка с
внутренним конусом; 5 —гильза; 5—манометр-ука-
затель; 7—входное сопло; 5 —редуктор давления;
5—фильтр.
Чувствительность таких мессдоз окраничивается жесткостью
ме.мбран, поэтому для измерения еще меньших усилий — до несколь-
ких граммов—применяются безмембранные пневматические датчи-
ки с плоской или шариковой заслонкой (диаметр шарика 0,6—
15 мм).
Для измерения значительно больших усилий применяются месс-
дозы, в которых дросселирующее устройство делается минималь-
ных размеров — в виде пневмореле «сопло-заслонка» и служит
лишь для автоматического изменения давления в уравновешиваю-
щей камере. Дросселирующее устройство помешается либо непо-
средственно в уравновешивающей измерительной полости, либо в от-
дельной камере, соединяющейся трубопроводом с уравновешиваю-
щей мембранной и сильфонной камерой.
Примером такой пневматической мессдозы служит устройство,
показанное на рис. 39. Измеряемый момент М, приложенный к кор-
86
fiycy 1^, уравновешив.ается усилием на «поршне» 9 сильфонной или
мембранной камеры 8.
Воздух от заводской сети или от компрессора (давление 2 —
10 ат) проходит через фильтр /, редуктор давления 2, выравниваю-
щий давление воздуха до некоторой постоянной величины, входное
Рис. 39. Пневматическая мессдоза с внеш-
ней проточной камерой.
сопло 3 и поступает в камеру 4. Из камеры он .выходит наружу
через измерительное сопло 5, перекрываемое заслонкой 6, прикреп-
ленной к рычагу 12.
Общее перемещение заслонки не превышает 0,1 мм, а переме-
щение поршня 9 меньше на величину отношения плеч рычага 12.
Сжатый
Ооддух
Рис. 40. Пневматическая мессдоза с внутренней
проточной камерой.
у—измерительная проточная камера; 2—камеры с демп|)ирующей
жидкостью; 5—тарная камера; 4 —манометр-указатель; 5—тарный
регулятор; 5—регулятор постоянного расхода; 7 —регулятор давле-
ния; 5 —фильтр.
Степень перекрытия сопла 5 определяет величину уравновешиваю-
щего давления в камерах 4 и 8. Это давление измеряется, напри-
мер, пружинным манометром //. Обычная точность таких мессдоз—
порядка ±1%.
К этому же типу относится пневматическая мессдоза с совме-
щенной дросселирующей камерой, показанная на рис. 40. Особенно-
стью этой мессдозы является способ ликвидации влияния тарного
87
веса с помощью дополнительной тарной камеры, в которую вводит-
ся воздух с регулируемым постоянным давлением.
Подобные мессдозы, имеющие эффективную «площадь от 25 до
3 ООО СА(2, предназначены для измерения усилий с верхним пределом
диапазона от 27 до 3 200 кГ при избыточном давлении воздуха от
0,2 до 1,05 кГ/см^. При 3,5 кГ/см^ нагрузка может бьггь доведена до
10 Г. Полный ход диафрагмы не превышает 0,15—0,25 мм. По лите-
ратурным данным такие мессдозы имеют погрешность до 0,1—0,25%
полной шкалы.
Проточные поршневые мессдозы
Поршневые мессдозы состоят из пары поршень—цилиндр, кото-
рая в целях устранения трения изготавливается без каких-либо
уплотнительных деталей, а уплотнение подвижного соединения пор-
шня с цилиндром достигается за счет применения достаточно вяз-
кой жидкости и точной пригонки с радиальными зазорами от 0,004—
0,006 до 0,02—0,03 мм. Величина диаметрального зазора в рассмат-
риваемых поршневых парах обычно принимается равной приблизи-
тельно 1 мк на каждые 2,5 мм диаметра поршня.
Расход жидкости Q через зазор для простой поршневой пары
при давлениях до 100—200 кГ/см^ определяется по формуле
Q = "цГ 1'^'1<^'^Ь (34)
где г — радиус поршня, см\
/7 — измеряемое давление, кГ/см^;
$ — величина зазора на сторону, см;
Tf] — динамическая вязкость рабочей жидкости, кГ-сек1см^;
/ — длина поршня, погруженная в цилиндр, см,
О величине расхода может дать представление следующий
пример.
Примем: г = Б см; р = 50 kFjcm^; д = 0,0005 см; 1=3 см;
Y| = l,75-10-® кГ-сек1см^ (минеральное масло).
Вычисленный по формуле (34) расход составит всего 11 см^1ч.
Из приведенного примера видно, что утечки масла в подобных
поршневых парах очень малы и не создают неудобств при эксплуа-
тации. При увеличении зазора или применении менее .вязкой жидко-
сти расход через зазор резко возрастает. Поэтому в качестве рабо-
чей жидкости для малых давлений обычно применяют трансформа-
торное масло, а для высоких давлений — глицерин или касторовое
масло.
Величина давления р и приложенного к поршню усилия Т свя-
заны в поршневой паре через эффективную площадь ^эф:
Г = р^эф. (35)
Для указанных невысоких давлений ^эф приближенно равна:
р^^=пг^ + шЬ. (36)
В отличие от мембранных конструкций поршневая пара характери-
зуется высокой точностью и постоянством эффективной площади.
Наиболее простой из поршневых конструкций является мессдо-
за проточного типа (рис. 41).
Рабочая жидкость из бака подается насосом в нодпоршневую
полость А и выходит из нее по кольцевой проточке Б. Поршень пе-
рекрывает эту кольцевую проточку на величину, при которой в по-
лости А создается* давление, уравновешивающее измеряемое усилие.
Ход поршня S значителен нри начальных малых давлениях (в раз-
ных конструкциях s=l—10 мм) и резко уменьшается нри повыше-
нии давления; ход поршня тем меньше, чем больше его диа1метр.
Давление в поршневой полости измеряется пружинным или поршне-
вым манометром. Жидкость, просачивающаяся в зазоре цилиндровой
пары, собирается в верхней проточке В цилиндра и отводится также
в бак.
5 Ц
Рис. 41. Проточная мессдоза.
/ — поршень; 2—цилиндр; 5—маслобак; 4—насос; 5—перепускной
клапан; 5—гидроприемник; 7—весовая головка.
Некоторые указания по технологии изготовления поршневой
иары даюшся в ^HTesparnype [Л. 55].
Выбор диаметра поршня имеет существенное значение для точ-
ности И1зме|рвн'ия. Опыт показывает, что наибольшую попрешность
имеют те мессдозы, которые характеризуются наибольшей утечкой
из гидросистемы. Поскольку, как это следует из (34), расход жидко-
сти через зазор пропорционален диаметру поршня, а величина зазо-
ра практически мало зависит от него, следует выбирать поршни
большего диаметра. При этом снижается и давление жидкости, что
у1П1роща€гг о(бсл1ужи1вание оисггвмы.
Проточные поршневые мессдозы обладают теми же недостатка-
ми, что и диафрагменные: необходимость предварительного нагру-
жения для устранения влияния температуры рабочей жидкости на
89
точность измерения усилий вблизи нулевой точки, «ненулевой» ход
и т. п. Главным же • источником погрешностей измерения является
неизбежное трение в цилиндровой паре. Силы трения возникают,
во-первых, вследствие несоосного приложения внешних сил к паре
поршень—цилиндр из-за неизбежных отклонений при изготовлении и
сборке прибора. Другая причина заключается в несимметричности
давления жидкости в зазоре между поршнем и цилиндром. При уве-
личении давления жидкости неуравновешенная боковая сила прижи-
мает поршень к стенке цилиндра, выдавливая жидкость из зазора.
Возникает граничное трение, а при более высоких давлениях проис-
ходит прорыв жидкостной пленки и в результате — непосредствен-
ный контакт в отдельных точках между поверхностями поршня и
цилиндра (полусухое трение).
Возникаюшая вследствие действия боковой неуравновешенной
силы так называемая «запирающая» сила трения может быть зна-
чительно уменьшена, если на поверхности поршня или цилиндра
сделать кольцевые канавки. Разгружающие кольцевые канавки де-
лаются обычно на поршне шириной 0,3—1,0 мм и глубиной 0,2—
0,8 мм. Расстояние между осями канавок выбирается по конструк-
тивным соображениям. По опытным данным [Л. 3] наличие одной
канавки снижает трение со 100% (при гладком поршне) до 40%,
а при семи канавках —до 2,7%. Кроме того, благодаря наличию
канавок устраняется эксцентрицитет поршня в цилиндре и поэтому
значительно уменьшаются утечки через зазор.
Еще более эффективным методом устранения трения в поршне-
вой паре является принудительное вращение поршня или цилиндра.
В разнообразных конструкциях, таких как образцовые грузо-
поршневые манометры, гидравлические испытательные машины, ди-
намометры, установки для испытания динамометров и др., поршень
приводится во вращение вручную или с помощью небольшого элек-
тродвигателя.
Аналогично работе гидродинамического подшипника скольжения
при вращении поршень затягивает масло в клинообразную щель
между поршнем и цилиндром, где создается повышенное давление,
уравновешивающее боковую силу и отжимающее поршень к центру.
При достаточной относительной скорости вращения граничное тре-
ние переходит в полусухое и даже в жидкостное, вследствие чего
измерительные качества поршневой пары резко улучшаются и тре-
ние поступательного перемещения практически может .быть сведено
до пренебрежимо малой величины. Так, например, в работе [Л. 5]
приводится результат исследования золотника диаметром 55 мм.
При давлении жидкости б кГ/см^ сила трения плунжера обычного
золотника составляла 5 кГ, а у золотника с вращающейся втулкой
понизилась до 70 Г. В отличие от подшипника скольжения с гидро-
динамической смазкой в поршневых неуплотненных парах измери-
тельных устройств радиальные силы, действующие на поршень,
очень малы, поэтому для обеспечения концентричности поршня и
устранения контактного трения требуется, -как правило, значительно
меньшая скорость, чем у вала подшипника.
Для вращения поршня с постоянной угловой скоростью со Х/свк
к нему необходимо приложить момент [Л. 18].
М = [кГ'См]. (37)
90
Потребная мощность
Г Мо) ^~ [кГ-см1сек], (38)
Здесь обозначения те же, что и в (34).
Следует иметь также в виду, что благодаря вращению порниш
или цилиндра уменьшение трения в осевом направлении происходит
и при контактном сухом трении. Например, при вращении и одно-
временном опускании поршня в цилиндре вектор силы трения Т на-
правлен под большим углом к оси, причем имеет место соотношение
Ts '
где Гг и Гв — соответственно горизонтальная и вертикальная со-
ставляющие силы трения;
Vr И Vs — соответственно скорости вращения и опускания
поршня.
Если Гг >Гв, то Гг ^ Г и
Гв = Г^. (39)
Другой хорошо зарекомендовавший себя метод устранения тре-
ния в цилиндровых парах заключается в приложении высокочастот-
ной пульсации к жидкости, находящейся в полости между мессдо-
зой и гидроприемником поршневого манометра. Такой метод приме-
няется в гидравлической силоизмерительной системе фирмы Хинан-
Фруд. В этой системе (рис. 42) реверсивная поршневая проточная
мессдоза устроена так, что если измеряемое усилие направлено вниз,
то .под поршнем образуется высокое давление, уравновешивающее
это усилие, а над поршнем — малое давление, возникающее из-за
сопротивления движению масла в возвратном маслопроводе. При
изменении направления измеряемого усилия надпоршневая полость
будет находиться под высоким давлением, а подпоршнев.ая — под
малым давлением. Обе полости соединяются через двухходовой
кран 2 с гидравлическим вибратором 3 и далее с дифференциальным
гидроприемником 4 весовой головки 5. С помощью двухходового
крана высокое уравновешивающее давление всегда подается в над-
псршневую полость гидроприемника, а низкое давление — в нижнюю
его часть независимо от направления действия измеряемого усилия.
Гидравлический вибратор придает колебания маслу в маслопро-
водах, благодаря чему достигаются небольшие колебательные дви-
жения также и в цилиндровых парах силоизмерителя и гидроприем,
ника, ведущие к устранению в них трения. Вибратор представляет
собой плунжер с возвратной пружиной, который приводится в дви-
жение .кулачком на валике шестеренчатой маслопомпы W (на схеме
вибратор условно показан отдельно от помпы).
Магистраль высокого давления снабжена демпферным регули-
руемым клапаном 6. Предусмотрены два воздуходренажных вен-
тиля 7, соединенных с маслобаком 8 через стеклянную трубку Р,
по которой наблюдают за протоком масла при удалении воздуха
из системы.
91
92
По данным Брауна [Л. 70], (результаты многих тарировок
гидравлического тормозного динамометра фирмы Хинан-Фруд мощ-
ностью 60 000 л. с, в котором применена описанная силоизмери-
тельная система, дали следующие пределы ошибок при измерении
величин момента, составляющих 100, 50 и 1,5% максимального.
W/o= ± 0>04о/о; 7)зоо/^=±0,08о/о и v)j^5o/^-±2,70/0.
16. Компенсационные мессдозы
Компенсационные диафрагменные мессдозы
Существенным недостатком проточных систем является необхо-
димость непрерывной работы насоса, а также относительно боль-
шой ход поршня. Более удобными оказались компенсационные
мессдозы, в которых ход поршня практически отсутствует и не тре-
буется протока жидкости через мессдозу в равновесном состоянии,
в'этом компенсационные мессдозы сходны со статическими, но так
же как и проточные системы, они в процессе измерения нечувстви-
тельны к колебаниям температуры и утечкам жидкости и позволяют
применять неуплотненные поршневые пары для измерения давления.
Компенсационные мессдозы могут быть диафрагменного или
поршневого типа.
Конструкция компенсационной диафрагменной мессдозы показа-
на на рис. 43.
Основными деталями мессдозы являются поршень /, корпус 2
и диафрагма 4, прикрепленная вставкой 5 к поршню и фланцевым
кольцом 3 к корпусу. Над рабочим участком диафрагмы помещена
кольцевая резиновая перемычка 6. Вверху поршень и фланцевое
кольцо соединены упругой направляющей 7. Для стравливания воз-
духа из рабочей полости предусмотрен шариковый затвор 11.
Компенсационная мессдоза отличается от статической наличием
подающего и сливного клапанов. Подающий клапан 8 служит для
подпитки рабочей полости при уменьшении в ней объема жидкости
вследствие хода поршня гидроприемника, упругости трубопроводов,
в результате случайных утечек и тому подобных причин. Клапан
содержит подпружиненный стержень с запрессованной текстоли-
товой втулкой, которая в состоянии равновесия поршня перекрывает
вход в рабочую полость. Сливной клапан 9 открывает отверстие
для отвода излишней жидкости из рабочей полости в бак при от-
ходе поршня вверх от нейтрального положения. Толкатель 10
связывает работу обоих клапанов.
Если измеряемое усилие остается иеизмененным и объем жидко-
сти IB полости мессдозы не изменяется, клапаны плотно закрывают
сливное и входное отверстия. В этом случае мессдоза работает как
статическая и движения рабочей жидкости через нее не будет. Если
измеряемое усилие увеличивается, поршень переместится вниз
и толкатель откроет подающий клапан. Через кольцевой зазор
клапана устремляется рабочая жидкость, которая повышает дав-
ление в полости мессдозы до тех пор, пока не уравновесится при-
ложенное усилие. Поршень тогда вернется в свое нейтральное поло-
жение.
При уменьшении измеряемого усилия поршень отожмется вверх
давлением рабочей жидкости, а сливной клапан оттолкнется пру-
93
жиной от своего седла. При этом в образовавшийся кольцевой
зазор вытекает рабочая жидкость, отчего давление в рабочей по-
лости мессдозы падает до установления равновесного состоя-
ния между приложенным усилием и новым давлением в полости
мессдозы. 'Поршень затем возвращается в нейтральное положение
и сливное отверстие закрывается.
Для питания мессдозы рабочей жидкостью (трансформаторное
масло) служат расходный и компенсационный баллоны. Перед ра-
ботой расходный баллон 12 заполняется маслом полностью, а ком-
пенсационный 13 наполовину; затем в последний подается воздух
с давлением, вдвое превышающим максимальное давление масла
в мессдозе.
При наличии сети сжатого воздуха давление воздуха в линии
перед баллоном поддерживается при помощи командного редук-
тора 20. Система заполняется маслом из бака 14 с помощью насо-
са 15 через фильтр 16 и обратный клапан 17. Давление в полости
мессдозы измеряется поршневым манометром 19.
Для устойчивой и точной работы при малых усилиях требуется
предварительное нагружение мессдозы постоянной нагрузкой, рав-
ной /^3—5% максимальной.
Рассмотренная компенсационная мессдоза в совокупности с пор-
шневым манометром дает приведенную погрешность до ±0,2%.
Получение еще' большей точности достигается применением двух-
диапазонного поршневого манометра, снабженного двумя гидро-
приемниками с разной площадью поршня.
Площадь поршня мессдозы следует выбирать таким образом,
чтобы наибольшее давление в ее полости было в пределах 10—
100 кГ1см^. Давление свыше 100 кГ/см^ ухудшает безопасность
обслуживания гидравлической системы и затрудняет создание тре-
буемой герметичности. Равным образом возникают трудности при
применении мессдоз с эффективной площадью, меньшей 20—25 сж^,
и номинальным давлением менее 10 кГ/см^. Дело в том, что управ-
ляющий клапан, трение в котором отсутствует, не оказывает замет-
ного влияния на чувствительность 'мессдозы, однако площадь про-
ходного отверстия клапана сравнительно велика (0,05—0,1 сл!^),
поэтому колебания клапана в «мертвой» зоне, связанные с затратой
некоторой, хотя и незначительной доли измеряемой силы, влияют
на точность измерения. Кроме того, на точность измерения влияет
непостоянство эффективной площади диафрагмы—тем сильнее, чем
меньше эта площадь. Установлено, что площадь диафрагмы 20—
25 ш2 является приблизительньгм минимумом, для которого в месс-
дозах описанного типа можно рассчитывать на получение погреш-
ности менее 1%.
Применяемые пневматические компенсационные мессдозы
выполняются подобным же образом. Они также имеют клапанную
систему, которая автоматически впускает и выпускает воздух из
измерительной полости, действуя в качестве регулятора нулевого
положения диафрагмы. Требования к герметичности клапанов здесь
снижаются. Измерительная система в целом упрощается, так как
не требуются масляная возвратная магистраль, бак и т. п. Однако
пневматические мессдозы допускают меньшее давление воздуха
и, следовательно, меньшую нагрузку. К их недостаткам следует так-
же отнести трудность использования поршневого манометра.
95
к этому же принципиальному типу пневматических устройств
относятся и некоторые блоки, применяемые в системах пневмоавто-
матики, которые могут использоваться для измерения усилий. Глав-
ное их отличие от рассмотренных компенсационных мессдоз состоит
в том, что реле, управляющее подачей воздуха в ypaBHOBemneatoj
щую мембранную или сильфонную камеру, соединено с последней
не непосредственно, а через промежуточную мембранную полость.
С уравновешивающим сильфоном или мембраной соединено другое
пневматическое реле (обычно типа сопло-заслонка), которое изме-
няет давление воздуха, воздействующего на промежуточную
мембрану. Благодаря такому разделению работа управляющего кла-
пана не влияет на точность измерения, и поэтому нижние пределы
эффективной площади и давления значительно снижаются. В част-
ности, можно сослаться на пневматический усилитель ПУ-326, соз-
данный КБ «Цветметавтоматика». Действующее на него усилие
(до 1,5 кГ) воспринимается сильфоном с /^эф = 1,35 см^ и вызывает
изменение выходного «командного» давления в пределах 0,05—
1,1 кг/см^, линейно зависящего от усилия.
Компенсационные поршневые мессдозы
Мессдозы этого типа могут быть двух видов:
а) с клапанным регулированием;
б) с золотниковым регулированием.
Поршневые мессдозы с клапанным регулированием работают
аналогично описанной ранее компенсационной диафрагменной месс-
дозе, но отличаются от нее тем, что на измерение практически не
влияет непостоянство эффективной площади поршня, поэтому ниж-
ний предел площади здесь по сравнению с. диафрагменной мессдо-
зой снижается, хотя ограничения, обусловленные влиянием проход-
ного сечения клапанов, все еще существуют.
В силоизмерителе, показанном на рис. 44, измеряемое усилие
прикладывается к поршню 1 непосредственно или через промежу-
точное коромысло 4 (как показано стрелками). Поршень помещен
Б цилиндре 2, в который также входит неподвижный корпус 3.
Для устранения трения при измерительном перемещении поршня
относительно цилиндра последний с помощью поводка 5 приводит-
ся в принудительное возвратно-вращательное движение от специаль-
ного электромагнитного вибратора (на чертеже не показан) или
через эксцентрик от электродвигателя. Привод должен обеспечить
колебания цилиндра с частотой 30—50 колебаний в секунду
и амплитудой 0,5—1 мм (движение поводка). В осевом направле-
нии цилиндр фиксируется относительно неподвижного корпуса
с помощью шариков 6. Подобно диафрагменной конструкции месс-
доза имеет подающий и сливной клапаны. Подающий клапан со-
стоит из стержня 7 с четырьмя лысками, в котором запрессована
текстолитовая втулка, и пружины 8. Сливной клапан образован
стержнем 9 с текстолитовой втулкой и также отжимается пружи-
ной 10. Удлиненный конец стержня выполняет роль толкателя и де-
лает оба клапана взаимосвязанными. Измеряемое давление пере-
дается к манометру по сверлению в поршне. Подающая и сливная
ветви гидросистемы подключаются к поршню с помощью гибких
трубопроводов. Площадь поршня 3,14 см^\ таким образом, при
давлении 10—100 кГ/см^ можно измерять усилия в диапазоне 30—
96
Рис. 44. Компенсационная поршне-
вая мессдоза с колеблющимся
цилиндром.
7 с. м. Кац.
97
300 кГ. По точности измерения данный силоизмеритель аналогичен
диафрагменному.
В другой конструкции компенсационной поршневой мессдозы
клапанного типа (рис. 45) трение в поршневой паре устраняется
путем вращения цилиндра / с помощью закрепленной на нем звез-
дочки 5, фиксированной в осевом направлении относительно непод-
вижного поршня 2 подшипниками 6. Измеряемое усилие приклады-
вается iK подвижному поршню 3, который удерживается от вра-
щения упругими мембранами 4. Между подвижным и неподвижным
манометру
Подача дабления
Рис. 45. Компенсационная поршневая
мессдоза с вращающимся цилиндром.
поршнями помещены питающий и сбрасывающий клапаны. В отли-
чие от предыдущей конструкции питающий клапан выполнен в виде
прикрепленного к подвижному поршню полого толкателя 7, кото-
рый при ходе поршня вниз открывает вход масла из питающей
магистрали. При отходе поршня вверх от нейтрального положения
излишек масла в полости силоизмерителя вытекает наружу через
отверстие в толкателе.
Мы уже обращали внимание на недостаток мессдоз с клапан-
ным регулированием, заключающийся в том, что для открытия
клапана требуется преодолеть силу
Т = Тп^ + {Рп — р^) ^кл, (40)
где Гпр —сила натяжения пружины в питающем клапане;
Рп — давление в питающей линии;
Ри — давление в полости силоизмерителя;
Ркл — площадь поперечного сечения питающего клапана.
Непостоянство давления рп вызывает относительную погреш-
ность измерения, тем большую, чем меньше величина измеряемого
усилия. Этого недостатка лишены мессдозы золотникового типа,
98
у котарых измерительный поршень выполняет роль двуХкромочного
золотника, открывающего подающее или сливное отверстие.
Устройство такой мессдозы показано на 'рис. 46 [Л. 81]. Она
состоит из неподвижного поршня / и цилиндра 2, на который через
колпак 3 передается измеряемое усилие. Для уменьшения трения
при измерительном движении цилиндр вращается относительно
поршня внутри невращающегося колпака на подшипниках 4 и 5.
В поршне имеются три канала: канал 7, соединенный с манометром,
1д 17
Рис. 46. Поршневая мессдоза золот
пикового типа с вращающимся ци-
линдром.
открывается в верхнем торце поршня, а каналы 8 и 9 — в выточках
10 и // поршня вблизи его верхнего и нижнего концов. В верхней
части цилиндра имеется полость 12 с рабочей верхней кромкой 13,
а в нижней части — выточка 14 с рабочей кромкой 15. Канал в ци-
линдре соединяет выточку 14 с полостью 12. Расстояние между
кромками цилиндра равно расстоянию между наружными кромками
выточек в поршне; поэтому в нулевом положении эти кромки совпа-
дают и обе поршневые выточки закрыты.
При осевом движении цилиндра под действием измеряемого
усилия полость цилиндра сообщается с той или другой выточкой.
Верхняя выточка 10 соединяется через канал 8 с постоянно рабо-
тающей шестеренчатой помпой У7, так что если цилиндр опускает-
7* 99
Сй, TO в него добавляется жидкость под давлением и цилиндр под-
нимается до тех пор, пока снова не достигнет нейтрального положе-
ния. В то же время нижняя выточка 11 соединяется через канал 9
с маслобаком 16, и если цилиндр поднимается выше нейтрального
положения, масло уходит в бак,
так же до тех пор, пока цилиадр
не вернется в свое нейтральное по-
ложение. Для стабильной работы
необходимо перекрытие кромок око-
ло 0,04 мм.
Точность измерения данной
мессдозы высокая: в балансирном
динамометре на 20 кГ • м наиболь-
шая вариация показаний при тари-
ровании составляла ±0,09% полно-
го значения шкалы. При непрерыв-
ной работе в течение длительного
периода наблюдался небольшой
дрейф нулевых показаний, связан-
ный с изменением температуры мас-
ла IB силоизмерительной системе.
"о Температура влияет на просачива-
ние .м^асла в зазоре между поршнем
и цилиндром, что, как известно, ска-
зывается на измерении.
Для уменьшения трения из-за
возможного эксцентричного нагру-
жения конструкция мессдозы может
быть улучшена, если нагрузку при-
кладывать к днищу поршня. Такая
мессдоза (рис. 47) была применена
-jj для измерения к. п. д. гидромашин
на балансирных электродвигателях
мощностью 10—350 л. с. [Л. 29]. Пе-
ремещение поршня около нейтраль-
ного положения 'v/0,05 мм. Для
устранения колебаний или вибраций,
которые могут возникнуть вследст-
вие слишком большого для данного
смещения расхода масла из линии
питания в подпоршневую камеру,
на входе питания устанавливается
гидравлический дроссель.
Рис. 47. Поршневая мессдо-
за золотникового типа с
вращающимся поршнем.
/—поршень; 2—неподвижный ци-
линдр; 5—силопередающнй шток;
4—шкив привода поршня; 5—из-
мерительная полость; 5—подача
масла; в—выход масла; 9—к ма-
нометру; стопор; //—поводок.
Как видно из приведенных данных, точность измерения усилий
и моментов у большинства гидравлических силоизмерительных
систем весьма велика. Дальнейшее увеличение точности измерения
можно получить, применяя комбинированный метод, при котором
основная часть измеряемой величины уравновешивается контргру-
зами, а излишек — гидравлическим силоизмерителем, шкала которо
го служит как бы верньером к уравновешивающим грузам.
100
17. Поршневые манометры гидравлических
силоизмерительных юистем
Точность измерения усилий мессдозами определяется в значи-
тельной мере степенью совершенства применяемого манометра. Для
точных мессдоз применяются специальные поршневые манометры,
которые обычно изготавливаются с применением различных весовых
головок. В качестве весов, вообще говоря, может быть использован
любой весовой циферблатный указатель, удовлетворяющий следую-
щим условиям: небольшой ход грузоприемной серьги (не более 5—
10 мм) при нагрузке не менее 20—30 кГ, приведенная погрешность
до ±0,1%, возможность смены гидроприемников для изменения
диапазонов, возможность телепередачи и регистрации показаний.
Простейшая конструкция гидроприемника, применяемого напри-
мер, для восприятия давления в некоторых поршневых проточных
мессдозах (рис. 41), состоит из стального поршня диаметром 20—
50 мМу который входит в отверстие чугунного цилиндра с ходовой
посадкой, т. е. с зазором в несколько десятков микрон. Измеряемое
давление подается под поршень, и жидкость может достаточно
свободно просачиваться через зазор, чем обеспечивается жидкост-
ное трение. Поршень через шарнирное звено соединяется с сило-
приемным рычагом весовой головки.
Действующие на поршень значительные усилия вызывают неиз-
бежно появление контактного трения между цилиндром и поршнем,
вследствие чего эти приборы имеют сравнительно невысокую точ-
ность. В более совершенных конструкциях гидроприемников при-
нимаются меры для устранения влияния сил трения на измерение
подобно тому, как это делается в поршневых мессдозах. Наиболее
распространенным является метод вращения. В поршневых мано-
метрах применяются также электромагнитные вибраторы, которыми
приводят поршень в возвратно-вращательное движение с частотой
50 гц. Аналогично чисто вращательному движению при колебаниях
поршень стремится расположиться концентрично внутри цилиндра,
чем устраняется контактное трение в этой паре.
Существенное уменьшение осевой силы трения достигается
и при значительно меньшей частоте. Например, в исследованных
Г. А. Никитиным [Л. 41] плунжерных парах осциллирующие движе-
ния поршня приводили к уменьшению осевого защемляющего уси-
лия в 5—10 раз при частоте колебаний до 5 гц, причем увеличение
частоты до 30 гц, равно как и изменение амплитуды от 0,1 до
2,4 ММ, на осевое защемляющее усилие влияния не оказывалю.
Метод вращения использован в ряде гидроприемников цифер-
блатных поршневых манометров, применяющихся для измерения
давлений до 300 кГ/см^ [Л. 86]. Обычно измеряемое давление, по-
ступающее в корпус гидроприемника, давит на торец поршня,
вращающегося со скоростью 15—25 об/мин, а усилие на поршне
передается через шариковую опору на промежуточные рычаги
циферблатной весовой головки. Недостаток этой конструкции, в ко-
торой усилие на весовую головку передается через нагруженный
поршень и шариковую опору, состоит в том, что на поршень дей-
ствуют моменты, неизбежно возникающие вследствие неточного
расположения гидроприемника относительно рычага весов и тому
подобных причин, что приводит к повышенному трению в поршневой
паре. Кроме того, электродвигатель или вибратор должны преодо-
101
лёбать момент трения б шариковом шарнире, нагруженном усилия-
ми иногда в несколько десятков килограмм.
Значительное улучшение работы получено в гидроприемниках,
где поршень разгружен от действия осевого усилия, которое воспри-
нимается и передается на весы подвижным цилиндром. На рис. 48
изображен один из таких гидроприемников. В неподвижный кор-
пус / вставлен поршень 2, удерживающийся в корпусе при помощи
шариков 3. Нижней своей частью поршень входит в подвижной
Рис. 48. Гидроприемник поршневого манометра разгруженного
типа с колеблющимся поршнем.
цилиндр 4. Измеряемое давление поступает в верхнюю полость кор-
пуса и по сверлению в поршне передается на подвижный цилиндр.
Благодаря сверлению в поршне силы, действующие на его торцы,
уравновешены и шарики не нагружены, поэтому поршень может
легко колебаться с помощью установленного рядом электромагнит-
ного вибратора. Связь поршня с вибратором осуществляется через
закрепленный на поршне поводок 5. Для более соосного приложения
внешнего уравновешивающего усилия к подвижному цилиндру
последний соединен с рычагом весов через карданную серьгу 6
и две тонкие стальные ленты 7. В целях уменьшения «запирающей»
силы трения на поршне выточены разгружающие кольцевые канавки.
Рассматриваемый поршневой манометр может иметь несколько
диапазонов измерения давления, что достигается путем применения
гидроприемников с различными площадями поршней и установки их
на различных плечах грузоприемного рычага. Семь типоразмеров
102
гидроприемников обеспечивают 12 диапазонов измерения давления,
начиная от 0—5 кГ/см^ и до О — 250 кГ1см^. К разным плечам
рычага могут быть присоединены как одинаковые, так и разные
гидроприемники. Подключение измеряемого давления к одному нз
гидроприемников производится либо вручную кранами, либо с по-
мощью соответствующим образом сблокированных электроклапанов
(Л. 23].
Другой рассмотренный ранее метод устранения трения с по-
мощью гидравлического вибратора, создающего небольшие колеба-
ния жидкости в трубопроводах и цилиндровых парах, также обес-
печивает хорошую точность, однако требует применения специаль-
ной маслопомпы.
Поскольку поршневые пары работают удовлетворительно только
с вязкими жидкостями, для их использования с пневматическими
мессдозами необходимо на входе в гидроприемник ставить разде-
лительное устройство, преобразующее давление воздуха в давление
жидкости.
Мы уже отмечали, что в некоторых бала1\сирных динамометрах
устанавливаются мессдозы, обеспечивающие измерение момента
обоих знаков (реверсивные мессдозы или две простые мессдозы,
установленные с обеих сторон балансирного статора). Для них
требуются дифференциальные гидроприемники, которые выполняют-
ся в виде:
1) двух гидроприемников, соединенных с двумя плечами сило-
приемного рычага первого рода;
2) двух гидроприемников, присоединенных к одной серьге
рычага так, что их поршни передают на серьгу противоположно
направленные усилия;
3) гидроприемника с двусторонним поршнем (подобно изобра-
женному на рис. 36 и 42).
Особо высокая точность требуется от поршневого манометра
при измерении разности двух вращающих моментов. На рис. 49
показана схема динамометрической установки, предназначенной
для измерения потерь в передающих энергию механизмах, состав-
ляющих очень малую часть (до ±0,1%) полного вращающего мо-
мента на валу механизма [Л. 83]. Приводом испытываемого меха-
низма служит балансирный электродвигатель (75 л. с. при
2 000 об/мин), в котором опоры выполнены на контрвращающихся
шарико- и роликоподшипниках, а электропитание подводится через
ртутные кольца. В качестве загрузочной машины применен индук-
торный тормозной динамометр, помещенный на двух гидростатиче-
ских (масляны}^) балансирных опорах. Коэффициент полезного
действия испытываемого механизма определяется путем раздель-
ного измерения входного и выходного вращающих моментов с по-
мощью компенсационных мессдоз с вращающимися поршнями.
Измерительное давление масла от мессдоз поступает соответственно
к двум поршневым гидроприемникам, также с вращающимися
поршнями. Усилия от гидроприемников передаются на автомати-
ческое весовое коромысло с подвижным рейтером. Моментные плечи
гидроприемников регулируются в соответствии с передаточным отно-
шением скоростей испытываемого узла. Коромысло качается на
гидростатической опоре. Потери в передаточных механизмах опре-
деляются на этой установке с погрешностью порядка ±0,027о пол-
ного вращающего момента (до 30 кГ-м).
103
Регистрация показаний точных поршневых манометров с цифер-
блатными весовыми головками связана с большими трудностями
ввиду малой «работоспособности» квадрантных уравновешивающих
механизмов. При значительном увеличении ура1вновеши1В'ающего
момента можно для записи показаний применять, например, бара-
банный самописец, перо которого обычно примрепляе^ся непюорвдст-
венно к зубчатой рейке, вращающей шестеренку указательной стрел-
ки. Тайне маятниковые поршневые манометры («маятниковые сило-
Испытьтемый
Рис. 49. Схема динамометрической уста-
новки для измерения к. п. д. механизмов.
/ — балансирный электродвигатель; 2—тормоз-
ной динамометр; 8' и 5" —мессдозы; 4* и 4>'—
гидроприемники; 5—автоматическое дифферен-
циальное весовое коромысло; 6 — подвижной
груз; 7—опора коромысла; 5—амплидин.
измерители») ширшо применяются в испытательных Miamnnax
и обеспечивают точность до ±0,5—1%. Нужно, однако, отметить,
что из-за наличия больших маятниковых масс они имеют низкую
собственную частоту колебаний (^1 гц) и, следовательно, не могут
регистрировать быстро протекающие изменения нагрузки.
Значительно менее инерционен поршневой манометр [Л. 105],
в KorroipoM усилие от ти1дроп|рием.н1ика ур-авновеишвается ynpiyrocTbra
скручивающегося стержня (рис. 50). В зависимости от измеряемого
диапазона давление подается в один из трех гидроприемников
с различной площадью поршней. Указательный механизм и само-
писец непосредственно присоединены к стержню, создающему зна-
чительный уравновешивающий момент.
104
Применяются и другие способы изменения измерительного диа-
пазона в поршневых манометрах этого типа. Например, в поршне-
вом манометре НИКИМП [Л. 1] с плечом упругого скручивающего-
ся стержня соединен один гидроприемник, но в нем имеются три
коакшально расположенных поршня, которые с помощью особой
упорной детали могут включаться или выключаться, обеспечивая
измерения в диапазоне О- -20, 0—40 и 0—100% максимального
давления.
iB другом поршневом манометре [Л. 119] для каждого предела
измерения подбирается соответствующий упругий стержень.
Рис. 50. Поршневой манометр с упругим
уравновешивающим стержнем.
/" и У"—гидроприемники; 2—демпфер;
5 —упругий стержень; 4—указательный ?меха-
низм; 5—самописец.
В последние годы в качестве уравновешивающего механизма
для точных поршневых манометров нашли црименение также
и автоматические весовые элементы типа рейтерных весов, причем,
кроме весовых элементов с указывающей сельсинной передачей
показаний [Л. 15], применяются и более сложные —с регистрирую-
щим устройством.
* Одна из таких конструкций (рис. 51) применена в системе изме-
рения вращающего момента на балансирной электромашине.
Гидроприемник 9 снабжен поршнем, вращающимся от установлен-
го рядом электродвигателя. Усилие с поршня передается на коро-
мысло, которое поворачивается на гидростатических масляных
опорах 3 на угол до 5\ Отклонение коромысла от равновесного
положения фиксируется электромагнитным дифференциальным дат-
чиком 5, сигнал рассогласования с которого поступает в усилитель
переменного тока 6, выпрямляется в фазочувствительном детекто-
ре 7 и ослабляется в стабилизирующем устройстве 10, После уси-
лителя постоянного тока сигнал подается на вход магнитного уси-
105
Лйтеля, питающего трехфазный двигатель переменного тока 15.
С двигателем соединен тахогенератор переменного тока 14, выход-
ной сигнал которого, пропорциональный скорости вращения двига-
теля, подается с обратным знаком на второй вход магнитного уси-
лителя. Путем изменения коэффициента усиления в этой цепи мак-
симальная скорость двигателя может регулироваться в пределах
от 500 до 10 000 об/мин. Двигатель через редуктор i=l : 20 вращает
ходовой винт 2 (250 витков, шаг 2,54 мм). При максимальной
скорости груз-рейтер / проходит по винту за 30 сек. Наибольшее
Рис. 51. Поршневой манометр с автоматическим
весовым коромыслом.
I —подвижной груз; 2—винт; <?—гидростатическая масляная опора;
4 —коромысло; 5—демп {пирующие пружины; 5—усилитель пере-
менного тока; 7—фазочувствительный детектор; 5—ди1)ференциаль-
ный датчик положения; Р —гидроприемник; /О —стабилизирующее
устройство; /7 —усилитель постоянного тока; 72—магнитный уси-
литель; 75 —фазочувствительный детектор; 74—тахогенератор;
75—двигатель; 75— ци1)ровой преобразователь скорости вала; 77 —
декодирующее устройство; /5 —устройство для записи показаний
на пер{)оленте; 19 — ци [зровой указатель.
смещение конца коромысла, а следовательно, и якоря датчика, со-
ответствующее максимальному сигналу на входе магнитного усили-
теля и максимальному моменту двигателя, составляет ±0,025 мм.
Двигатель отключается при величине указанного смещения
/^0,005 мм.
Необходимая величина устойчивости коромысла создается пру-
жинами 5 с жесткостью 196 Г/см. Изменение измеряемой величины
вызывает перемещение груза-рейтера со скоростью, экспоненциально
возрастающей до максимальной в течение нескольких секунд. После
прохождения грузом точки баланса и перемещения рычага груз
останавливается или реверсируется, а затем вновь возвращается
к точке баланса с малой скоростью.
106
Колебания давления жидкости гасятся капилляром, а низкочас-
тотные колебания и вибрации сглаживаются стабилизатором.
Измерение и регистрация числа оборотов ходового винта,
являющегося мерой измеряемой величины, осуществляется через
редуктор /=2,5: 1 с помощью 100-оборотного цифрового преобра-
зователя 16, в котором используется коммутатор с двоично-десятич-
ным циклическим кодом. Преобразователь различает 10 000 состоя-
ний, каждое из которых кодируется собственным кодовым символом.
Далее имеется релейное декодирующее устройство 17, которое
может управлять 7-дырочным перфоратором для записи на перфо-
ленте [Л. 29].
ГЛАВА ЧЕТВЕРТАЯ
ТАРИРОВОЧНЫЕ УСТРОЙСТВА
Тарированием балансирного динамометра называется о-перация,
заключающаяся в приложении к балансирному статору точной вели-
чины вращающего момента с помощью гирь либо гидравлическим
путем.
Целями тарирования являются:
а) традуирование шкал указателей моментов;
б) получение зависимости между показаниями шкалы указате-
ля и измеряемым моментом в виде тарировочной кривой или пере-
водного коэффициента;
в) поверка точности динамометра.
Тарировочное устройство является поверительным (образцовым)
прибором по отношению к динамометру и, следовательно, должно
изготавливаться значительно точнее его. Исходя нз закона накопле-
ния средних погрешностей, установлено, что средняя погрешность
образцового прибора будет ничтожно влиять на результаты повер-
ки, если она примерно в 3 раза меньше, чем погрешность пове-
ряемого прибора.
Если обозначить через бм и бм. тар соответственно метрологи-
ческие погрешности динамометра и тарировочного устройства, то
необходимым условием, следовательно, будет:
5м.тар<-з-5м. (41)
Тарировочные устройства представляют собой обычно обособ-
ленные механизмы, которые соединяются с динамометром только на
время тарирования. Следует избегать применения тарировочных
устройств, постоянно соединенных с работающим динамометром, так
как в условиях вибрации это приводит к быстрому снижению их
точности.
Тарировочные устройства должны нагружать балансирный дит{а-
мометр точно так же, как и испытываемый двигатель; для этого
гарировочный момент должен совпадать по величине и условиям
приложения с моментом, передающимся на динамометр при работе
двигателя. Точность тарировочных моментов по величине обыч-
но 'Обеспечивается достаточно легко. Под условиями, обеспечиваю-
щими правильное тарирование, следует понимать весь комплекс
107
внешних обстоятельств, прямо или косвенно отражающихся на иден-
тичности налружения динамометра тарируемым и измеряемым момен-
тами. Для обеспечения полной имитации нагружения тарирование
следует производить с присоединенными к динамометру трубопро-
водами воды и масла, находящимися под теми же давлениями, как
и при работе динамометра. В отдельных случаях целесообразно
имитировать тряску и вибрацию, создаваемые работающим двигате-
лем. Это ставит, например, в более правильные условия балансир-
ные опоры с подшипниками качения, так как вибрация уменьшает
трение в последних.
18. Грузовые тарировочные устройства
Тарирование вращающим моментом может осуществляться дву-
мя способами: с помощью силы, приложенной на некотором рас-
стоянии от оси вращения динамометра, или с помощью пары сил.
Первый способ характеризуется тем, что тарировочное усилие
передается на статор динамометра в виде момента и радиальной
силы, действующей на его опоры. Эта сила вызывает в опорах до-
полнительное нагружение, которое при работе динамометра отсут-
ствует, что приводит к увеличению или уменьшению трения в опо-
рах (в зависимости от направления приложения силы).
Г1ростейшая конструкция тарировочного устройства представ-
ляет собой рычаг, который прикрепляется к балансирному корпусу.
К концу рычага подвешивается на призме штанга с тарелкой, на
которую помещаются плоские тарировочные грузы.
В качестве тарировочных грузов обычно применяются специаль-
но изготавливаемые чугунные круглые или прямоугольной формы
детали с посадочными конусами и прорезями по радиусу для нало-
жения нх стопкой на штангу. Такие грузы должны обязательно
проходить проверку в лабораториях Комитета по делам мер и из-
мерительных приборов при Совете Министров СССР. Их вес должен
определяться с точностью, установленной для образцовых тирь 3-го
разряда.
Могут также применяться стандартные, изготавливаемые про-
мышленностью гири, в частности образцовые гири 3-го разряда, ко-
торые бывают либо в виде прямых цилиндров с вырезом по радиусу
для помещения на штангу гиредержателя, либо имеют форму пря-
моугольных параллелепипедов для помещения на площадку. При
проверке грузов и гирь 3-го разряда путем сличения с гирями, при-
нятыми за исходные, устанавливается (в виде поправки к номи-
нальной массе гири) их действительная масса с наибольшей по-
грешностью: для гири с массой 20 кг — 200 мг, для 10 кг — 100 мг,
для 2 и 5 л;г — 50 жг, для 1 кг — 20 жг и т. п.
Тарировочное плечо, штанга с тарелкой и серьга должны быть
заранее уравновешены; для этого на балансирном статоре обычно
предусматриваются подвижные в радиальном нагтравлении уравно-
вешивающие грузы. В случае отсоединения тарировочного плеча
динамометр снова уравновешивается до того же состояния, которое
имело место при тарировании.
Лри необходимости тарирования моментом обратного знака та-
рировочное плечо перестанавливается на другую сторону либо к ста-
тору прикрепляются с обеих сторон два постоянных тарировочных
плеча.
108
Серьезным недостатком тарировочного устройства с односторон-
ним нагружением является трудность точного измерения фактиче-
ской длины плеча 1, т. е. расстояния от острия призмы до оси ©ала.
Обычно длина плеча L контроли!руется лишь путем измерения рас-
стояния а фланцевого платика корпуса от его оси и длины б рыча-
га (рис. 52,а).
В двустороннем устройстве (рис. 52,а) значение плеч U и U'
можно определить достаточно точно весовым способом, если знать
расстояние Lab между призмами Л и 5. Для этого к призме А
прикладывается груз Pi, который вызывает отклонение стрелки ука-
зателя момента; затем к призме В подвешивается груз Рг, который
возвращает стрелку в первоначальное положение. Имеем два урав-
нения:
Р^и — P^L" = о
откуда размеры плеч легко вычисляются.
В динамометрах маятникового типа, у которых статор повора-
чивается на значительный угол до 45°, тарировочное плечо оканчи-
вается не призмой, а дугой окружности, центр которой находится
на оси статора. Грузовая штанга подвешивается к дуге с помощью
гибкой стальной ленты.
Для динамометров с вращающим моментом свыше 500—
1 ооо кГ'М применение рассмотренных простейших схем становится
затруднительным, так как требуются чрезмерно большие плечи и
грузы. В этом случае применяются системы с одним или двумя про-
межуточными рычагами.
При конструировании таких систем следует считаться с тем,
что из-за деформации рычагов, тяг и других узлов прогиб конца
тарировочного рычага может быть очень большим н это повлияет
на точность тарирования. Поэтому все элементы тарировочной си-
стемы должны обладать особо большой жесткостью. Если этого
недостаточно, то следует применять !{омпенсатор 3 (рис. 52,в),
с помощью которого можно регулировать длину опорного звена 2
и тем самым приводить рычаг / в горизонтальное положение. На
практике находят применение также различные нагружающие ме-
ханизмы, облегчающие -обращение с большим количеством тяжелых
тарировочных грузов. На ipnc. 52,в приведена схема одного из та-
ких нагружающих устройств. На грузоприемной тяге 4 имеются
захваты 5, на которые по мере опускания площадки подъемника 6
последовательно навешиваются грузы 7.
На рис. 53 показана схема тарировочного устройства с проме-
жуточным рычагом. Рычаг выполнен с переставляющейся опорой
(положения С и £), что дает возможность тарирования динамомет-
ра / -моментами разных знаков. Передаточное отношение рычага не
меняется, если выполняется следующее условие для его малых
плеч:
ВС BE
CD^DE'
Уравновешивание рычага при положении опоры 7 в точке С произ-
водится противовесным грузом 5; при положении опоры в точке Е
109
груз 8 сдвигается от оси (показано пунктиром) и к нему добав-
ляются дополнительные, грузы. Шарниры С, D я Е выполнены на
роликоподшипниках, а шар-
ниры Л и В, относящиеся
к длинным плечам, имеют
подшипники скольжения.
В более точных тари-
ровочных реверсивных уст-
ройствах все шарниры
(кроме силоприемного Л)
в ы п олн я юте я npiH зм ен н ьши.
Мы уже отмечали та-
кие недостатки тарировоч-
ных устройств с односто-
ронним нагружением, к-а«
наличие радиальной силы,
действующей на опоры, и
трудность измерения пле-
ча. Эти недостатки могут
быть устранены, если 1вра-
щающий момент приклады-
вать к динамометру в ви-
де пары сил (рис. 52,6).
Плечи I и 2 делаются рав-
ными (/i = /2) и нагружа-
ются с помощью грузов 4
и 6 усилиями, направлен-
ными в разные стороны
благодаря применению ро-
лика 3. Если эти грузы
равны, т. е. Q4=Q6=Q, то
приложенный к динамомет-
ру вращающий момент
Mni> = QL определяется
только расстоянием L ме-
жду призмами, которое,
как мы уже отмечали,
можно измерить значитель-
но удобнее и точнее, чем
каждое из плеч в отдель-
ности. Некоторым неудоб-
ством схемы является не-
обходимость точного ра-
венства грузов Q4=Q6.
Конструктивно тариро-
вочные рычаги с призмен-
ными шарнирами выполня-
ются аналогично рычагам,
„ ^ ^ применяемым в рычажно-
Рис. 52. Схемы тарирования балан- весовых устройствах, на-
сирных динамометров. ^р^^^^р ,3 ^^яжелых плат-
а—одностороннее нагружение; б-двусто- форменных весах. Остано-
роннее нагружение вращающим моментом; .«екотлпых
в —механизированное тарировочное устрой- вимсм лишь на некоторых
ство. специфических требованиях
ПО
Конструкция рычага должна обязательно давать возможность
точной регулировки (юстировки) его передаточного отношения.
В тарировочных рычагах могут применяться как обычные треуголь-
ные (или пятиугольные) призмы, так и круглые призмы, которые
заделываются в рычаге своими гладкими цилиндрическими участ-
ками. Круглые призмы обеспечивают ббльшую точность и удобство
при изготовлении рычага и регулировании его кратности.
Следует иметь в виду, что тарировочные устройства работают
весьма кратковременно н число нагружении призменной пары не-
Рис. 53. Реверсивное тарировочное устройство.
7—балансирный динамометр; 2—плечо статора; 5—тандер-гайка; 4-
рычаг; 5—штанга; 5 —тарировочные грузы; 7 —опора рычага; 5-
контрбалансовый груз.
сравнимо меньше, чем у длительно работающих весовых устройств.
Поэтому допускаемая нагрузка здесь мойсет достигать 1
1 см рабочей длины призмы.
Т на
Шарикоподшипниковые шарниры в тарировочных устройствах
встречаются реже и главным образом в узлах, испытывающих зна-
копеременную нагрузку. В ряде конструкций применяют нестан-
дартные подшипники с шариками или роликами, помещенными не-
посредственно на вал н во втулку рычага без подшипниковых ко-
лец. Благодаря уменьшению диаметра окружности качения трение
в таких шарнирах уменьшается. Уплотнение подшипника осущест-
вляется с помощью защитных крышек-шайб или кольцевых зазоров
и проточек. Фетровые н манжетные уплотнения применять в шар-
нирах рычагов не •рекомендуется вследствие вносимого ими трения.
В тарировочном устройстве должна быть обеспечена повышен-
ная жесткость рычагов, их опор, тяг и т. п., так как это нмеег
первостепенное значение для точности и надежности их работы.
111
19. Гидравлические тарировочные устройства
Гидравлические тарировочные устройства обеспечивают обычно
меньшую точность, чем грузовые тарировочные устройства, но
имеют перед ними ряд преимуществ: возможность создания очень
больших усилий без повышающей рычажной передачи; дистанцион-
ность действия, компактность, удобство в работе.
Для получения высокой точности силонагружатели обычно вы-
полняются поршневыми с устранением трения в паре поршень —
цилиндр путем вращения. На рис. 54 показана схема поршневого
Подача
d03dL
Рис. 54. Гидравлическое тарировочное устройство
силонагружателя. иМасло подается к силонагружателю из баллона 7
с помощью сжатого воздуха, давление которого поддерживается
воздушным баллоном 8. Далее от проходит по сверлению в непод-
вижном поршне / и создает усилие на цилиндре 2. Цапфа 3 с по-
мощью звездочки 4 и цепной передачи вращается со скоростью
/^30 об/мин. Вращение от цапфы на цилиндр передается через
ролики. Усилие от цилиндра на тарируемый динамометр передается
через опорную пяту 5, которая предохраняется от вращения шари-
коподшипниковым роликом 6. Давление в поршневой полости кон-
тролируется поршневым манометром 9 — грузопоршневой колонкой
2-го разряда с точностью ±0,05% или 3-го разряда —±0,2% зада-
ваемого давления. Для этой цели пригодны также и рассмотрен-
ные ранее поршневые манометры с квадрантными весовыми голов-
ками, дающие предельную приведенную погрешность не более
±0,1%.
Для системы с силонагружателями меньшей точности могут
применяться образцовые манометры, погрешность которых состав-
ляет ±0,2 или ±0,35% от номинального (предельного) значения
шкалы.
112
в некоторых конструкциях для устранения влияния вредных
боковых составляющих лоршневая пара выполнена самоустанавли-
вающейся.
Шршневые силонагружатели рассматриваемого типа работают
при давлении масла до 500—700 кГ - см^ и создают усилия до 30—
50 Т с собственной погрешностью (без учета погрешности контро-
лирующего манометра) не более 0,01—0,03%.
' К недостаткам гидравлического метода тарирования, помимо
ограниченной точности, следует отнести и то, что при соединении
с силонагружателем измерительная (например, рычажно-весовая)
система балансирного динамометра оказывается связанной н не бу-
дет совершать плавных затухающих колебаний, необходимых при ее
поверке, в результате чего уменьшается достоверность тарирования.
На практике применяется также метод тарирования с помощью
относительно неточного механического или гидравлического сило-
нагружателя (домкрата) и образцового упругого динамометра или
электротензодинамометра, устанавливаемого между домкратом и
тарируемой машиной. Такой метод ограничивается только точностью
применяемого динамометра (обычно 0,3—0,5%).
20. Точность тарирования
Погрешности тарирования могут быть систематические и слу-
чайные. Систематические тарировочные погрешности рычажно-гру-
зовых устройств возникают от неверной кратности тарировочных
рычагов и от неправильной массы тарировочных гирь.
В гидравлических тарировочных устройствах возникает систе-
матическая ногрешность вследствие влияния температуры и давле-
ния на эффективную площадь пары поршень—цилиндр.
От этих погрешностей, если они не уменьшены до допустимой
величины, освобождаются внесением поправок.
Неправильности кратности рычагов вызываются неверной длиной
одного или обоих плеч рычага. Для обеспечения требуемой кратно-
сти рычагов могут быть применены два способа:
а) изготовление плеч рычагов по допускам на линейные их
размеры;
б) регулировка кратности рычагов весовым способом.
В первом случае необходимо выдержать точное в соответствии
с заданными чертежом допусками расстояние между призменными
или подшипниковыми шарнирами. Во втором случае проверяется
соотношение между длинами плеч; требуемая кратность рычага до-
стигается регулированием одного из шарниров рычага, а сами длины
плеч могут быть изготовлены менее точно. В силу конструктивных
особенностей по такому способу изготовляются только рычаги
с призменными шарнирами.
Рассмотрим в общем виде задачу определения допустимой по-
грешности на длины плеч в собранных рычагах в зависимости от
кинематической схемы рычажной системы и метрологических требо-
ваний.
Примем следующие обозначения:
М —момент, приложенный к статору балансирного дина-
мометра;
/о —длина силоприемного плеча статора;
8 С. М. Кац. 113
/i, Jn — длины Плеч тарировочных рычагов;
Ы^у 8li и т. д. — отклонения от размеров плеч;
^Мтар — общая тарировочная погрешность;
бМр — погрешность вследствие неточной кратности рычагов.
бМр составляет лишь часть общей тарировочной погрешности
(6Л1р = ?С6Л1тар). Остальные парциальные погрешности возникают
за счет трения в шарнирах, радиусов скруглений лезвий призм
и т. п. Для рычагов с призменными шарнирами обычно принимает-
ся значение коэффициента /(=0,8. В рычагах с шарикоподшипни-
ками значительно большая доля погрешности выпадает на трение
в подшипниках, поэтому значение К следует уменьшить до 0,5.
Наибольшая парциальная тарировочная погрешность от неточно-
сти плеч рычагов, если известны погрешности размеров этих плеч, мо-
жет быть определена по формуле
п + 1
(5Мр)макс = к (Ш,ар)макс = ± ^. (42)
Обратная задача состоит в назначении числовых допусков на
длины плеч рычагов. Эти допуски следует выбирать по системе
допусков и посадок ОСТ —в соответствии с допустимым числом
единиц допуска (а), которое определяет класс точности:
2/С (^Л^тар)макс
(43)
м
Классы точности, соответствующие различным числам единиц
допусков а, могут быть определены по табл. 4. Там же приведены
значения допусков на плечи рычагов для различных интервалов
длин.
В тарировочных рычагах с подшипниками качения рассматри-
ваемая погрешность может возникнуть от следующих причин: 1) от
неточности расстояния между осями отверстий в корпусе рычага;
2) от зазора между кольцом подшипника и отверстием в корпусе
рычага и от зазора между внутренним кольцом подшипника и ва-
лом-пальцем силопередающей серьги; 3) от радиального биения ко-
лец подшипника. Для рычагов применяются такие посадки подшип-
ников, чтобы посадочный зазор всегда был больше нуля; отсутствие
натяга между телами дачения и кольцами подшипника необходимо
для обеспечения в нем минимального трения.
Проверку кратности рычагов весовым способом можно произ-
вести следующим образом. Проверяемый рычаг (например, первого
рода) устанавливается на жесткую ровную поверхность своей цен-
тральной опорной призмой Л через подушку И (рис. 55). К крайним
призмам 2 и 4 подвешиваются на серьгах 5 и 7 грузовые площад-
ки ^ и 5. К рычагу / прикрепляется стрелка Р, которая перемещает-
ся относительно шкалы 10, неподвижно закрепленной на постаменте.
Рычаг перед проверкой должен быть уравновешен с помощью гру-
зов, которые кладутся на площадку, и при помощи уровня установ-
лен в горизонтальное положение.
114
Таблица 4
Рекомендуемые допуски на длины плеч рычагов
(между лезвиями призм, осями подшипников
качения и т. п.)
Классы точности
1
2
2а
3
За
5
Чксло единиц допус-
ка а
7
10
16
30
64
100
200
Длина плеча мм
Отклонения, мк, +
Свыше 18 до 50
5
5
10
25
40
75
150
Свыше 50 до 120
5
10
15
25
50
100
200
Свыше 120 до 360
10
15
25
40
75
150
250
Свыше 360 до 800
15
25
25
50
150
200
400
Свыше 800 до 1 250
25
25
50
75
200
250
500
Свыше 1 250 до 2 500
25
40
50
100
250
400
750
Свыше 2 500 до 4 ООО
40
50
75
150
250
500
1000
Пусть /зад— заданное передаточное отношение проверяемого
рычага. При установке на площадке 6 гири Q равновесие идеально
точного рычага сохранится, если на площадку 8 поместить гири
/ ^ \
g^QhsLji (т. е. /зад = ^|. Реальный рычаг имеет передаточное отно-
шение, отличающееся от заданного на некоторую величину А/. Тех-
ническими условиями на изготовление рычага обычно задается
допускаемая неточность передаточного отношения в виде величины
А/
Т1= которая определяется при проверке рычага в виде отно-
шения
i
(44)
Таким образом, определив величину гирь А^, на которую необ-
ходимо изменить вес q, чтобы рычаг снова занял горизонтальное
равновесное положение, можно установить, находится ли неточ-
ность рычага в заданных пределах и какова величина этой неточ-
ности. Это дает возможность определить величину, на которую не-
обходимо сдвинуть острие одной из призм рычага, чтобы получить
заданное отношение плеч.
8* 115
Рис. 55. Схема проверки кратности рычага'
первого рода.
Положение равновесия рычага определяется из показаний шка-
лы 10. Для того чтобы получить значение цены деления шкалы s,
определяют положения равновесия стрелки рычага с небольшим
дополнительным грузом АР на площадке 8 и без груза:
АР
(45)
Искомая величина определяется разницей положений стрел-
ки до и после нагружения рычага (lq~k) контрольными гирями Q
и q\ действительное значение / находим по формуле
Q
Неточность рычага в соответствии с (44) будет равна:
_s(/,-/o)
А/
i
(46)
(47)
Проверка рычага 2-го рода производится аналогично.
Случайные тарировочные погрешности вызываются в основном
трением в шарнирах рычагов.
Если все шарниры данной рычажной передачи вьшолнены на
подшипниках качения, то относительная погрешность от трения
в них может быть приближенно определена по формуле
r^^± ^"Р"°-^Р . 100% == ±i-
М 2
^\+d\' ^ + (^2 ^
1г
100%,
(48)
где /Иприв.тр — момент трения, приведенный к оси балансирного
статора;
f — коэффициент трения подшипников;
r/j, , И Т. Д. — внутренние диаметры подшипников шарниров,
образующих „короткие", т. е. более нагруженные
плечи (/i, /2,...) рычагов.
116
Погрешность трения для рычагов с призменными шарнирами)
можно прибл14женно вычислить по формуле
1 = ±0.5(1 + -^+ ...)[%].
(49
т. е. погрешность трения здесь также зависит только от длины
коротких плеч рычагов.
21. Обработка результатов тарирования
Целью тарирования, как уже было сказано, является проверка
точности измерительной системы, а также получение графической
или аналитической зависимости между показаниями шкалы указа-
теля и измеряемым моментом, если указатель не имеет именован-
ной шкалы.
Современные балансирные динамометры по точности измерения
могут быть отнесены к образцовым динамометрам третьего, а в не-
которых случаях и второго разряда. Согласно инструкции 20-49 для
градуировки и поверки образцовых и рабочих динамометров Коми-
тета по делам мер и измерительных приборов при Совете Минист-
ров СССР допустимые погрешности (в процентах от из1меряемого
усилия) составляют для образцовых динамометров второго разряда
(стационарных) ±0,2, а для образцовых динамометров третьего
разряда (переносных) ±0,5. От некоторых балансирных динамо-
метров не требуется столь высокой точности, и они могут быть от-
несены к рабочим динамометрам первого класса, допустимая по-
грешность которых составляет ±1% от предельного значения
шкалы.
Операция тарирования заключается в последовательном нагру-
жении динамометра вращающими моментами, имитирующими в воз-
можно большей степени действительную нагрузку, воспринимаемую
. динамометром при его работе. Нагружение ведется ступенчато от
нуля до нагрузки, превышающей максимальную измеряемую на
10—20%. Затем нагрузка также ступенчато уменьшается до нуля.
Такой цикл ступенчатого нагружения и разгружения повторяется не
менее 3 раз, причем должно быть не менее 10—15 ступеней нагру-
жения, равномерно распределяемых по всему диапазону, начиная
с 0,1 номинального значения измеряемой силы или момента на дан-
ном диапазоне (а в динамометрах, имеющих именованную шкалу,
проверке подлежат все точки шкалы, имеющие числовую отметку).
Таким образом, для каждого приложенного к динамометру усилия
или момента получаем шесть показаний по шкале. Все показания
заносятся в таблицу. Если изобразить графически зависимость меж-
ду показаниями прибора Р и тарировочной нагрузкой М, то почти
всегда линии нагружения и разгружения не сойдутся и образуют
так называемую петлю гистерезиса. Эта нетля гистерезиса возни-
кает в результате влияния случайных погрешностей, вызываемых
трением, упругими несовершенствами, неточностью отсчета и тому
подобными факторами. Ширина пегли гистерезиса характеризует
погрешность собственно динамометра (рис. 56).
Для вычисления погрешности динамометра определяются сред-
неарифметические из трех отсчетов (отдельно для прямого и обрат-
117
ного ходов) показания шкалы, соответствующие действительному
(тарировочному) значению силы или момента на поверяемых
точках.
Обозначим значения этих среднеарифметических через Р i и
Р'/, тогда абсолютная величина статической погрешности будет:
5ох = +:^
(50)
среднее арифметическое из всех шести отсчетов (Рт) показа-
ние шкалы принимается за истинное, соответствующее действитель-
ному значению измеряемой силы или момента:
6
p't+pl'
6
По этим значениям Ри для всех ступеней нагрузки может быть
построен тарировочный график. На графике обычно наносятся также
НОМ
Рис. 56. Тарировочный график
динамометра.
линии среднеарифметических значений для нагрузки и разгрузки,
дающие точностную характеристику измерительной системы.
Относительная погрешность динамометра
+
Ри
.100%
(51)
не должна, как уже было сказано, превышать ±0,2—0,5% (в зави-
симости от разряда, к которому следует отнести данный динамо-
метр).
118
Приведенная погрешность.
'/)п=±^-100/о (52)
для балансирных дина.мометров, приравниваемых к рабочим дина-
мометрам первого класса, не должна превышать ±1%.
Важной характеристикой, которая определяет постоянство пока-
заний динамометра и характеризует предельную погрешность одно-
кратного измерения, является вариация показаний динамомет-
ра, т. е. наибольшая разность показаний динамометра, соответст-
вующих одному и то.му же действительному значению измеряемой
силы. Допустимые вариации для образцовых динамометров третьего
разряда —не более 0,5% измеряемого усилия, начиная с 0,1 номи-
нального (предельного) значения при прямом и обратном ходе,
а для рабочих динамометров — не более 0,5% от номинального
значения силы динамометра, также начиная с 0,1 номинального зна-
чения при прямом и обратном ходе.
Другой характеристикой измерительной системы динамометра
является порог чувствительности. Порог чувствительности
определяется при прямом ходе величиной добавочного усилия или
момента, при котором указатель динамометра получает заметное
для глаза перемещение. Согласно Инструкции 20-49 порог чувстви-
тельности определяется при 0,1 и полном номинальном (предельном)
значении силы, измеряемой динамометром. Порог чувствительности
образцового динамометра третьего разряда должен быть не более
0,2 цены деления шкалы; для рабочих динамометров — не более 0,5
цены деления шкалы.
Более глубокое исследование метрологических качеств дина.мо-
метра можно провести на основе анализа большого количества та-
рировок (не менее 10—15). Это дает возможность определить
среднеквадратичные отклонения (а) показаний дина-
мометра.
Обозначим остаточную погрешность (в делениях шкалы)
п
среднеквадратичное отклонение показаний динамометра
где п — число измерений для данной ступени нагрузки.
За предельную погрешность измерения динамометром
принимается трехкратная величина наибольшего из среднеквадра-
Угичных отклонений для всех ступеней прямого и обратного хода:
= (3а).
Т^пред = —р -100%.
119
Бели зависимость между нагрузкой и показаниями шкалы
имеет достаточно линейный характер, вместо графика можно при-
менить простую эмпирическую формулу, аппроксимирующую табли-
цу тарировочных данных по принципу наименьших квадратов. Та-
рировочная зависимость между измеряемым усилием (или момен-
том) М н показанием Р указателя динамометра может быть пред-
ставлена уравнением прямой линии
M = Mcp-6(Pcp-P); (53)
Л^ср и Рср Представляют собой средние арифметические значения
нагрузки и показаний шкалы при тарировании:
Ум,
1
ср ■•
т
k
Рср= ^ ,
где т — число ступеней нагрузок;
/г —общее число отсчетов при тарировании.
Наклон тарировочной прямой характеризуется коэффициентом
Из несложных расчетов можно получить:
5](Иг-Мср)(Р^-Рср)
cp)^
ГЛАВА ПЯТАЯ
БАЛАНСИРНЫЕ ОПОРЫ
На точность измерения вращающего момента при помощи ба-
лансирного динамометра существенно влияет способ подвески его
статора, т. е. конструкция балансирных опор.
Балансирный статор динамометра подвешивается или непосред-
ственно на вал ротора, или на его подшипниковую опору. Послед-
ний способ применяется почти исключительно в балансирных дина-
мометрах, так как при этой конструкции момент трения во вращаю-
щихся подшипниках ротора входит в измеряемый на статоре мо-
мент, а качающиеся балансирные опоры статора могут быть выпол-
нены с минимальным трением.
При выборе схемы балансирного подвеса следует учитывать
следующие важные показатели: величина момента сил трения отно-
120
сительно оси вращения; неизменность положения геометрической оси
машины или оси качания балансирной системы, а для схем с непос-
тоянным положением оси — наибольшая .величина и направление
смещения геометрической оси или мгновенной оси вращения при
весовом • повороте; степень ожидаемой безопасности и надежности
в работе; относительная простота конструктивного осуществления;
величина дополнительной устойчивости, сообщаемой подвеской изме-
рительной системе.
22. Балансирные опоры на подшипниках качения
Наибольшее применение находят балансирные опоры, выполнен-
ные на обычных самоустанавливающихся шарикоподшипниках. Кон-
струкция такой опоры показана, например, на рис. 3.
Размеры подшипника качения в таких опорах определяются,
как правило, re действующей на него нагрузкой, а по конструктив-
ным соображениям— наименьшим посадочнЫхМ диаметром цапфы
статора. Обычно этот диаметр бывает весьма большим и подшип-
ник имеет поэтому излишний запас по грузоподъемности.
Балансирные подшипники, так же как и подшипники измери-
тельных рычагов, работают в режиме колебательного движения, и
в связи с этим признаки усталостного разрушения у них возникают
гораздо раньше, чем у подшипников, вращающихся в одном направ-
лении. Причина этого явления может быть объяснена следующим
образом. При работе подшипников с очень малыми амплитудами
колебания, когда площадки контакта тела качения с обоймой
в крайних положениях частично перекрываются, .возникают особо
тяжелые условия работы подшипника. Так как смазка к месту кон-
такта в зоне перекрытия не проникает, пик давления в этой зоне
становится очень большим, что приводит к появлению остаточных
деформаций и повреждению поверхности беговой дорожки. При
этом на кольцах, в точках касания с телами качения, находящими-
ся только в зоне нагрузки, образуются лунки.
При колебательном движении обычно рекомендуется рассчиты-
вать подшипник на статическую грузоподъемность, а также на дол-
говечность, исходя из количества циклов контактных напряжений,
испытываемых поверхностью качения менее стойкого кольца в месте
соприкосновения его с наиболее нагруженным телом качения.
При выборе подшипников, рассчитанных на колебательные дви-
жения, допустимую нагрузку на подшипники следует уменьшить до
0,5 допустимой нагрузки для подшипника, вращающегося в одну
сторону и имеющего равную скорость вращения. Выбор такого под-
шипника производится, как подшипника, вращающегося в одном
направлении и имеющего некоторую эквивалентную или гипоте-
тическую скорость колебательного движения, которая вычи-
сляется в зависимости от числа нагружении шариками участка
обоймы. Представим себе, что подшипник совершает колебательные
движения с частотой т циклов в минуту (обычно принимается рав-
ной числу оборотов вала динамометра); при этом частота нагруже-
ния каждой точки будет равна 2т нагружении в минуту. Сравним
эту частоту нагружения с частотой нагружения обоймы при равно-
мерном вращательном движении, когда при закрепленной внешней
обойме 42% шариков проходят над каждой точкой обоймы за один
оборот. Если подшипник имеет z шариков, то это составляет 0,42 z
121
нагружении за один оборот. Исходя из этого, получаем гипотетиче-
скую скорость для расчета колеблюш,егося подшипника:
Если движущимся элементом является внешняя обойма, то пе-
ремещение шарика при одном обороте обоймы составляет бОУо пе-
ремещения обоймы, и гипотетическая скорость в этом случае будет:
2т т
Остановимся на погрешности от трения в рассматриваемом типе
опор.
Момент трения в балансирных опорах с подшипниками качения
равен:
/ АА \ п
(54)
где Afвр — вращающий момент балансирной машины, который пере-
дается силоизмерительной системе на плече Z., см\
Р — вес балансирной машины, действующий на опоры, кГ;
Z)o—диаметр окружности шариков, см\
f — коэффициент трения подшипника, равный 0,001 —0,003
для радиальных шарикоподшипников и роликоподшип-
ников с короткими цилиндрическими роликами. Верхний
предел коэффициента трения соответствует применению
смазок малой вязкости (веретенное масло), нижний—тя-
желых консистентных смазок (солидол Т).
Что касается посадок балансирных подшипников на вал и
в корпус, а также их уплотнения, то к ним относится все сказанное
о подшипниках тарировочных и силоизмерительных рычагов. Для
уменьшения опасности повреждений подшипников балансирных опор
вследствие колебательного движения и вибраций полезно наружные
кольца подшипников проворачивать вручную через определенные
интервалы времени.
Чогрешность трения в подшипниках данного типа опор можно
уменьшить, если искусственным путем разгрузить подшипники хотя
бы частично от действия веса Р. Одна из возможных схем для осу-
ществления такой разгрузки показана на рис. 57. Вес Р восприни-
мается параллелограммно-рычажной конструкцией, выполненной на
упругих или призменных шарнирах. Вследствие исключительно низ-
ких коэффициентов трения в этих шарнирах работа трения конст-
рукции от действия веса Р значительно меньше, чем в шарикопод-
ш'ипниках балансирных опор. Разгрузку балансирных подшипников
от веса статора весьма просто осуществить также с помощью пру-
жин. Можно, например, присоединить пружину к середине рычага-
плеча статора так, чтобы усилие пружины, направленное вверх,
было приблизительно равно весу статора и грузов, подвешиваемых
к концу рычага перед испытанием. Нагрузка на опоры при этом
оказывается близкой к нулю. Этот метод, однако, менее точен.
Уменьшение трения в подшипниках балансирных опор дости
гается также, если уравновешивать момент на статоре не одной си-
122
лой нй плече 1, а парой сил. В этом случае доля трения в опорах
от действ1ия уравновешивающей силы отсутствует. На рис. 58 пред-
ставлены две такие схемы. В первой (случай а) весь момент ста-
тора уравновешивается с помощью тяг /, .промежуточных рычагов 2
и подвешенного к ним коромысла 3 и измеряется рычагом 4,
имеющим съемные грузы 5 и подвижной груз 6.
Вторая схема, примененная ВНИИМЕТМАШ в гидротормозном
динамометре [Л. 10], отличается тем, что ,на концах коромысла под-
вешены мерные съемные грузы 7, уравновешивающие 75% измеряе-
мого момента. Остальные 25% измеряются маятниковым силоизме-
рителем 8.
Большое распространение также находят балансирные опоры,
в которых цапфы статора качаются на нескольких роликах, благо-
Рис. 57. Разгрузка балансирных опор с помощью
параллелограммно-рычажного грузового устройства.
даря чему значительно уменьшается приведенный к оси машины мо-
мент трения в опорах. Эти ролики вращаются на шарикоподшипни-
ках, внутренний диаметр которых в несколько раз меньше посадоч-
ного диаметра цапфы, прикрепленной к балансирному статору. Ро-
лики с самоустанавливающимися шарикоподшипниками помещаются
на эксцентриковых осях, поворотом которых регулируется положение
оси машины, а также .устанавливаются необходимые зазоры между
роликами и цапфой. Контактная поверхность ролика и особенно
цапфы должна быть тщательно обработана и иметь высокую твер-
дость. Для этой цели вместо общей детали иногда запрессовывают
в цапфе местные цементированные и каленые вкладыши.
В некоторых тормозных установках возникает необходимость
регулировать положение оси тормоза на значительно ббльшую ве-
личину, нежели это может позволить эксцентрицитет ролика. Такая
необходимость имеет место при частой смене испытываемых двига-
телей, отличающихся между собой высотой оси, а также в том спе-
цифическом случае, когда двигатель, а вместе с ним и динамометр
должны быть установлены при испытании под небольшим углом
к горизонту. Это требуется, например, для создания реальных усло-
вий нагружения судовых двигателей, которые на судне помещены
выше гребного винта и наклонены под некоторым углом к нему.
Регулирование оси выполняется, например, с помощью роликов,
помещенных на поворотных рычагах. В других конструкциях ролики
123
помещены в сферической самоустанавливающейся обойме, переме-
щаемой вертикально винтовым домкратом с червячной передачей.
Определим погрешность трения в опорах на «атках. На рис. 59,а
показано схематично, что цапфы статора помещены на четырех ро-
ликах; два ролика расположены внизу под углом а к вертикали,
два других — наверху. Усилие, действующее на опоры, восприни-
Рис. 58. Разгрузка балансирных опор при
уравновешивании момента парой сил.
а—система с рычажным силоизмерителем; б—си-
стема с маятниковым силоизмерителем; 1 —тяга;
2—промежуточный рычаг; 5—коромысло; 4—рычаг;
5—съемный груз; б—подвижной груз; 7 —съемный
груз; 5—маятниковый силоизмеритель.
мается обычно нижними роликами. Верхние ролики служат для пре-
дохранения от случайных толчков, а также воспринимают состав-
ляющую Р— -j^— <0.
Погрешность в такой опоре будет как от трения в подшипни-
ках, так и от трения качения роликов по цапфе.
Mr,
COS а
г. АО
2D,
+
(55)
где Dj —диаметр окружности шариков подшипника ролика;
Z) и — соответственно диаметры соприкасающихся поверхностей
цапфы и ролика;
р. — коэффициент Пауссона.
124
Дальнейшее уменьшение погрешности от трения в подшипни-
ках может быть достигнуто при применении так называемой опоры
«на качающемся шатуне» (рис. 59,6). Опора в принципе отличается
Рис. 59. Схемы роликовых балансирных опор,
а—опора на четырех роликах; б —опора на ,качающемся шатуне";
/—балансирный статор; 2 —цапфа; 5 —вал машины; 4—корпус опо-
ры; 5 —подшипник вала; 5—шатун; 7—ось шатуна; 5—подшипники
шатуна; 9а и 96— ленты; /б?—ролик; /У —упор.
ОТ рассмотренной выше опоры на роликах тем, что цапфа статора
опирается не на два ролика, как в предыдущем случае, а как бы
на один большой ролик с диаметром Ds. Благодаря этому дости-
гается значительное уменьшение погрешности трения в опоре. Сек-
тор 6, на который опирается цапфа 2, связан с последней двумя
125
тонкими стальными лентами 9а и 96, удерживающими сектор в вер-
тикальном положении.
Момент трения в этой опоре равен:
(56)
Сравнение рассмотренных типов опор при сопоставимых раз-
мерах, взятых приближенно к реальной практике, показывает, что
погрешность от трения в случае опоры на качающихся секторах бу-
дет меньше, чем, например, при опорах на шарикоподшипниках,
в 6—7 раз.
23. Опоры на вращающихся и колеблющихся подшипниках
Схемы балансирных подвесов с вращающимися подшипниками
уже нашли применение в практике и показали себя достаточно
удовлетворительными. Принцип действия этих опор состоит в сле-
дующем. Наружные обоймы балансирных шарикоподшипников по-
коятся на роликах или в дополнительных игольчатых подшипниках,
благодаря чему имеют возможность вращаться в противоположные
стороны с небольшой скоростью от электродвигателей с помощью
зубчатой или червячной передачи.
Угловая скорость вращения обойм обычно принимается в 20—
30 раз больше возможной угловой скорости качания статора балан-
сирного динамометра при измерении момента. Благодаря принуди-
тельному вращению балансирных подшипников в разные стороны
моменты трения в них при качании статора динамометра принимают
также противоположные направления и взаимно вычитаются, а 'на
погрешность измерения момента сказывается лишь разница в мо-
ментах трения левой и правой опор. Если диаметры подшипников и
нагрузка на них одинаковы, то разница в моменте трения вызы-
вается неодинаковыми значениями коэффициента трения этих под-
шипников. Подбирая специально подшипники равного качества,
можно значительно снизить общую погрешность от трения в этих
опорах.
Неуравновешенный момент трения в двух контрвращающихся
опорах выражается аналогично (54):
Af.p = (p±^)Af]/l^. (57)
где Af — возможные отклонения коэффициента f от средней вели-
чины (V 2 учитывает среднюю квадратичную вероятность
появления крайних значений отклонения).
На рис. 60 показан пример конструктивного выполнения узла
контрвращающихся балансирных подшипников, примененного в элек-
тродинамометре 25 л. с, 3 000 об/мин [Л. 81]. Шарикоподшипники /
установлены на цапфах 2, прикрепленных к статору машины. На-
ружное кольцо каждого подшипника помещено во втулку с шестер-
ней 5, которая является внутренним кольцом для игольчатого под-
шипника 4 (диаметр роликов 3,5 мм, длина -^30 мм, диаметраль-
ный зазор 0,09 мм). Шестеренчатые кольца на обеих опорах вра-
126
щаютоя от электродвигателей в противоположных направлениях со
скоростью 47,6 об/мин. При такой скорости на динамометр не пере-
даются вибрации от электродвигателя. Большое внимание было уде-
лено получению точной окрулчности рабочих поверхностей шарико-
Рис. 60. Балансирная опора с вращающимся
подшипником.
вых и роликовых подшипников. Чувствительность этого узла проти-
воположно вращающихся подшипников была определена непосред-
ственно путем измерения минимального вращающего момента, тре-
бующегося для вращения статически отбалансированного корпуса
машины. При весе машины -^770 кг и максимальном вращающем
моменте 26,8 кГ - м, величина этого момента составила 144 Г ^ см,
т. е. 0,005%, в то время как в этом же балансирном динамометре
при обычной схеме подвески трение в шарикоподшипниках даже
127
при тщательной .установке онор вызывало приведенную погреш-
ность ±0,9%.
Аналогичный эффект уменьшения трения получается при коле-
бании в противоположных направлениях наружных колец подшип-
ников обеих опор 1с небольшой амплитудой и частотой. Примером
такой конструкции служит рассмотренный ранее пружинный дина-
мометр (рис. 24).
Такой же прием ггрименен для уменьшения трения в опорах ба-
лансирного электродвигателя [Л. 6]. Двигатель весом более 300 кг
помещен на шарикоподшипниках, наружные обоймы кото-
рых с помощью электродвига-
теля 0,5 кет и кривошипно-
ш а ту ни ой передачи .приводят-
ся в колебательное движение
с частотой около 3 гц, в не-
сколько pia3 превыш'ающей
возможную частоту качания
статора электродвигателя.
Противоио ложное направле-
ние движения обойм нодшнн-
ников у передней и задней
опор достигается благодаря
взаимному смещению криво-
шипов на 180°. Такое устрой-
ство опор повысило чувстви-
тельность балансирирной ма-
шины в 3 раза.
Контрвращающнеся под-
шипники применяются не
только .в балансирных опорах,
но н в качестве опор весовых
коромысел (когда призмы по
ряду причин применены быть
не могут).
Подобно тому как с помощью вращения уменьшается осевое
трение в поршневых парах, так и путем принудительного осевого
движения можно уменьшить трение при вращательном движении.
При достаточно большом отношении скорости осевого движения
к окружной скорости подшипника балансирной опоры вектор сил
трения отклоняется на угол, близкий к 90°, и на измерение вращаю-
щего момента почти не сказывается. На рис. 61 показана схема
балансирного динамометра, у которого для снижения трения в опо-
рах применен этот метод. Статор / может качаться в двух подшип-
никовых втулках 2, которые приводятся в возвратно-поступательное
движение с помощью мривошипно-шатунного механизма 3—4. В от-
личие от опор с контрвращающимися подшипниками здесь разница
в опорных реакциях и коэффициентах трения на точность из.мере-
ния не влияет.
Рис. 61. Схема балансирного дина-
мометра с опорами на колеблю-
щихся подшипниковых втулках.
24. Упругие опоры
Схемы опор с упругими подвесками принципиально отличны от
схемы с применением подшипников. При применении нулевого мето-
да замера и абсолютно жесткой системе рычагов и тяг работа, за-
128
трачиваемая на упругую деформацию подвесок, полностью возвра-
щается и не влияет на точность измерений, так как момент трения
в опорах на упругой подвеске теоретически равен нулю. В этом
заключается основное преимущество упругих балансирных опор. Их
применение поэтому особенно целесообразно и оправдано в тех слу-
чаях, когда на динамометрических установках, имеющих большой
вес балансирного статора, необходимо измерять очень небольшие
вращающие моменты.
На рис. 62 показано схематично устройство упругой подвески.
Динамометр устанавливается на балансирной раме; последняя под-
Рис. 62. Упругая балансирная подвеска.
вешивается на четырех упругих подвесках к двум неподвижным
стойкам. В каждой опорной стойке закреплены по две упругие
подвески под углом 30—45° к вертикали.
Упругая подвеска должна быть весьма гибкой в направлении
действия вращающего момента, что достигается с помощью утонь-
шений по концам ее рабочей части.
Следует отметить, что в то время как схемы с подшипниками
качения характеризуются неизменным положением геометрической
оси машины и совпадением ее с осью качания балансирных опор,
при схеме на рис. 62 совпадение этих осей имеет место только
в начальный момент. При «весовом» повороте балансирной системы
будут иметь место малые отклонения мгновенной оси вращения и
геометрической оси машины от начального положения.
Как показали исследования, проведенные Б. А. Кузнецовым и
В. С. Сориным, отклонение геометрической оси машины на подвес-
ках типа рис. 62 при весьма малом весовом повороте является ве-
личиной второго порядка малости по сравнению с отклонением
мгновенной оси вращения, так как первое приближенно выражается
9 с. М. Кац. 129
(я
величиной B-Y~ . а второе — величиной Вф, где ф — угол весового
поворота, а В — функция геометрических параметров схемы.
В= —
и (/1 + /2)
/.sin а •
Хорошо зарекомендовала себя также другая конструкция упругой
опоры — упругий радиальный шарнир системы Ю. А. Трескина
(рис. 63). Этот шарнир состоит из корпуса /, устанавливаемого на
неподвижном основании, рамки 2, закрепляемой на балансирной
Рис. 63. Упругий радиальный шарнир.
конструкции, и четырех Ш-образных упругих пластин 3. Каждая из
пластин прочно и без люфтов присоединяется двумя крайними лен-
тами к рамке, а средней лентой — к корпусу (или наоборот). Бла-
годаря такому соединению рамка может поворачиваться на неболь-
шой угол относительно корпуса вокруг оси шарнира. Такой упругий
шарнир отличается от известных Х-образных тем, что он полый и
через него может проходить вал (с зазором относительно внутрен-
него отверстия шарнира). Благодаря этому свойству он может при-
меняться в качестве опоры для балансирных динамометров.
Упругие шарниры должны рассчитываться на весовую устойчи-
вость, которая не должна превышать определенного значения, обус-
ловленного величиной измеряемого вращающего момента и особен-
ностями примененной системы измерения. В некоторых случаях,
в частности, упругие опоры могут специально иметь повышенную
жесткость и служить одновременно в качестве упругих силоизмери-
телей. Одна из таких конструкций показана на рис. 64. Испытывае-
мая или приводная машина устанавливается на плиту, которая кре-
пится к основанию с помощью четырех Н-образных упругих сталь-
ных пластин, плоскости которых проходят через ось машины. Под
действием вращающего момента машина поворачивается, вызывая
изгиб пластин, который измеряется индуктивным датчиком или про-
волочными тензодатчиками, наклеенными непосредственно на изги-
бающуюся центральную часть пластин.
130
25. Гидростатические и аэростатические опоры
Обычные подшипники скольжения с гидродинамической смазкой
не применяются в балансирных опорах ввиду больших потерь на
трение. Это объясняется тем, что в обычных гидродинамических
подшипниках давление находящейся в рабочем зазоре жидкости,
воспринимающее всю нагрузку на подшипник и удерживающее дета-
ли подшипника в состоянии жидкостного трения, создается лишь
при вращении за счет сжатия масла, увлекаемого трением в клино-
Рис. 64. Упругие балансирные опоры с повышенной жесткостью.
вой подушке, образующейся при эксцентричном расположении вала
во вкладыше подшипника. При отсутствии относительного движе-
ния смазываемых деталей давление в слое жидкости не возникает,
и имеет место только пленочное трение с полужидкостным и сухим
контактом. Разумеется, такие подшипники непригодны для балан-
сирных опор.
В промышленности в последние годы все более широкое приме-
нение находят так называемые аэростатические и гидростатические
подшипники, в которых давление в слое газа или жидкости создает-
ся за счет давления подачи и не зависит от вращения вала. Такие
подшипники могут быть самой различной формы и приспособлены
для восприятия как радиальных, так и осевых нагрузок. Характер-
ным примером является новый советский телескоп (самый крупный
в Европе) с зеркалом диаметром 2,6 м, установленный в Крымской
астрономической обсерватории. Полярная ось его вращается на
гидростатических подшипниках, представляющих собой отдельные
9* 131
подушки, в которые под давлением около 40 ат нагнетается масло,
создающее пленку, на которой «ак бы плавает нагруженная ось.
Благодаря этому масса весом 62 т может исключительно плавно и
легко вращаться от руки.
Рассмотрим некоторые важные особенности этих двух видов
подшипников.
Балансирные опоры с гидростатическими подшипниками
В гидростатических подшипниках давление жидкости между ва-
лом и вкладышем (или другими скользящими одна относительно
другой поверхностями) создается расположенным вне подшипника
насосом, и поэтому работа этих подшипников почти не зависит от
скорости вращения вала. Момент трения остается незначительным
как при 'ВЫСОКИХ, так и при низких скоростях вращения, вплоть
до практически нулевой скорости, и определяется только внутрен-
ним трением жидкости, зависящим от ее вязкости.
Гидростатические иодшипники обладают в принципе неограни-
ченно большой долговечностью, так как металлический контакт
между валом и вкладышем возникает лишь при случайной оста-
новке насоса. В этом его преимущество перед подшипниками каче-
ния, долговечность которых ограничивается усталостью материала
подшипниковых колец.
К недостаткам гидростатических подшипников относятся: необ-
ходимость дополнительной насосной установки с фильтрами; чувст-
вительность к изменению температуры масла и наличию в нем гря-
зи; возможность утечек масла из системы.
Для уяснения принципа действия гидростатического масляного
балансирного подшипника рассмотрим конструкцию опоры
(рис. 65), примененной в индукторном тормозном динамометре (на
44 кГ' м при 2 000 об/мин). Тщательно отфильтрованное масло под
давлением 14 кГ/см^ подается в зазор между цапфой и буксой через
10 равномерно расположенных по окружно(;ти прямоугольных кар-
манов, каждый размером 16X22 мм, на входе в которые имеются
дроссели с отверстиями диаметром 0,4 мм. При уменьшении зазора
(например, под действием веса) давление в кармане увеличивается;
при увеличении зазора сопротивление дросселя станет больше, чем
сопротивление протоку из кармана в атмосферу, и давление в этом
месте будет падать. Таким образом, подшипник имеет тенденцию
к самоцентрированию.
Тормоз снабжен двумя такими одинаковыми подшипниками;
осевое положение подвижных частей тормоза обеспечивается при-
соединенным к нему испытываемым узлом. При нагрузке на один
подшипник 141 кГу диаметре буксы 82,5 мм и ее длине 60 мм номи-
нальный диаметральный зазор составлял 0,133 мм. При этом момент
трения в обеих опорах тормоза был менее 72 Г - см [Л. 83].
Другим характерным примером балансирной опоры с гидроста-
тическим подшипником является весовое устройство для измерения
трения в подшипниках скольжения (рис. 66). Р1сследуемый подшип-
ник / помещен на конде вала 2 и нагружается силой Р до 4 Т
с помощью поршневого гидронагружателя через рычаг. Вал вра-
щается в двух подшипниках 3 регулируемым электродвигателем
постоянного тока, который прифланцован к втулке 4, плавающей
внутри корпуса 5 на масляной пленке. При вращении вала на не-
132
го действует момент трения, который в (Виде реактивного момента
передается через статор электродвигателя на втулку 4, где момент
уравновешивается и измеряется грузорычажным устройством.
На втулке 4 имеются два ряда прямоугольных углублений —
карманов (по 4 в каждом ряду), которые образуют как бы два
цилиндрических подшипника. К карманам через отверстия в корпу-
се 5 подводятся восемь подающих трубопроводов от двух шесте-
ренчатых помп.
Рис. 65, Гидростатический масляный
балансирный подшипник.
Каждый карман снабжен буртом, который дросселирует выход
из него масла.
Фиксация балансирного устройства в осевом направлении осу-
ществляется натянутой проволокой длиной 20 см, помещенной под
электродвигателем параллельно его оси. В середине эта проволока
прикреплена через короткую переходную деталь к корпусу электро-
двигателя, а по концам—к станине прибора. Благодаря нулевому
методу измерения момента жесткость проволоки на результаты из-
мерения влияния не оказывает [Л. 77].
133
в опорах балансирного тормозного динамометра пoctoяннoг6
тока фирмы General Electric [Л. 112] применены самоустанавли-
вающиеся гидростатические подшипники (рис. 67). Один из подшип-
ников (/) имеет сферическую рабочую поверхность, благодаря чему
Рис. 66. Приводной динамометр с гидростатическим балансирным
подшипником.
воспринимает осевое и радиальное усилия. Подшипник 2 с цилин-
дрической рабочей поверхностью воспринимает только радиальную
нагрузку. Каждый подшипник имеет по два расположенных на ниж-
г
1
■и
j
Рис. 67. Балансирный тормозной динамометр с гидростатическими
самоустанавливающимися подшипниками.
/—с|)ерический подшипник; 2—цилиндрический подшипник; <?—цап|)а статора;
4 —маслобак; 5 —помпа; 5 —регулятор давления; 7 —входное дроссель; 5 —
карман.
ней полуокружности кармана, в которые насосом подается масло
под давлением 15—20 кГ/см^. В подшипнике / карманы смещены
аксиально (для восприятия осевой нагрузки). Усилия, направлен-
ные вверх, такие подшипники не воспринимают. Сферические детали
134
подшипников выполнены цельными и при сборке узла вводятся
в разъемные детали путем поворота на 90^.
В другом динамометре [Л. 29] для фиксации в осевом направ-
лении подшипник одной из опор имеет биконическую форму
(рис. 68). Вторая опора имеет цилиндрическую рабочую поверх-
ность, а в остальных деталях выполнена одинаково с первой опо-
рой. Динамометр, снабженный двумя такими опо;рами, бикониче-
ской и цилиндрической, может работать в любом наклонном положе-
Рис. 68. Биконический масляный балан-
сирный подшипник.
НИИ, вплоть до вертикального. ^Зазор в подшипнике /-^0,14 мм. Его
«жесткость» характеризуется следующими данными: для смещения
оси на 0,05 мм от центрального положения требуется радиальная
нагрузка -^907 кГ. Рабочее давление масла в этих опорах состав-
ляет 7 кГ/см^. В мощных динамометрах давление масла, подавае-
мого в гидростатические подшипники опор, достигает 20—50 кГ/см"^.
Несущая способность гидростатического подшипника зависит
от давления масла и эффективной опорной площади вала. Из при-
веденных выше примеров конструкций видно, что дросселирование
масла в зазоре осуществляется тремя способами:
а) Дросселирование буртом, который окаймляет карман, куда
подается жидкость под давлением, Этот способ характерен наи-
135-
меньшими зазорами.между валом (гребнем бурта) и буксой. Давле-
ние жидкости сохраняется практически постоянным на .всей площади
кармана и падает скачкообразно, приблизительно линейно, иа длине
гребня бурта. Если пренебречь (для запаса расчета) опорной пло-
щадью бурта, то несущая способность одного кармана будет равна
произведению проекции площади кармана на плоскость,* перпенди-
кулярную направлению внешней действующей силы, и давления
в полости кармана.
б) Дросселирование щелью. В этом случае масло из входных
жиклеров поступает непосредстзенно в зазор (рис. 68). В таком
устройстве при изменении зазора одновременно с изменением сопро-
тивления протеканию жидкости в щели между валом и вкладышем
будет изменяться и сопротивление входного жиклера, но первое
зависит от третьей степени зазора, а второе — от первой степени.
в) Комбинированный способ, при котором масло из входных
жиклеров поступает сначала в карманы, а из них —в зазор между
валом и буксой (пример —рис. 65).
Важной характеристикой гидро- и аэростатических подшипни^
ков является «жесткость». Жесткость жидкостной или воздушной
А/?
смазки выражается отношением -д^, т. е. определяет степень
увеличения или уменьшения давления при изменении зазора или
эксцентрицитета вала (е). При отклонении вала под действием на-
грузки от центрального положения давление в одной его стороне
возрастает, а в другой уменьшается, поэтому жесткость подшипника
в центральном положении составляет:
А/?
Подшипник должен быть рассчитан так, чтобы величина жест-
кости К была наибольшей. Это достигается при вполне определен-
ном, оптимальном для данных параметров подшипника значении
диаметра входного жиклера d. Действительно, при очень малом d
давление р в масляном слое будет весьма мало, а поэтому и жест-
кость подшипника также незначительна. При слишком большом d
давление р будет близким к давлению подачи pi как ib верхней, так
и в нижней частях подшипника; поэтому и в этом случае изменение
зазора будет незначительно сказываться на изменении давления р,
следовательно, жесткость К будет невелика.
Оптимальное значение диаметра входного жиклера, зависящее
от геометрии подшипника, физических свойств и входного давления
жидкости, может быть определено по формуле Шейнберга [Л. 57]:
^ - у —2f- I2fiaan
где Y и Y) — удельный вес и вязкость жидкости, кПсм}, кГ-сек/см^;
/?, — давление подачи жидкости (абсолютное), кГ/см'^;
D — диаметр вала, см\
д — зазор (средняя величина), см\
а — длина щели, см;
п — число входных жиклеров (в одном ряду);
а — коэффициент истечения (можно принимать а = 0,8);
Кж — безразмерный коэффициент.
136
Оптимальная величина /С», соответствующая максимальной
жесткости, составляет /(«.опт = 0,82, при этом оптимальное отноше-
ние избыточного давления за жиклером (ри) к давлению подавае-
мой жидкости (р1и) равно:
— рти
Ри.опт = — = 0,585.
Балансирные опоры с аэростатическими подшипниками
Аэростатические подшипники по принципу действия аналогичны
гидростатическим, но имеют ряд преимуществ. Внутреннее трение
в смазочном слое, зависящее от вязкости жидкости, уменьшается
при применении воздушной смазки, так как вязкость воздуха
в сотни раз меньше вязкости жидких масел. Коэффициент трения
пневматических подшипников в 100 раз меньше коэффициента тре-
ния подшипника качения и не зависит от скорости движения,
в конструкции отсутствуют уплотнения. В отличие от жидкостной
смазки воздушная упругая прослойка служит хорошим демпфером,
препятствующим передаче вибрации от одной поверхности к другой.
Пневматические балансирные опоры могут питаться от компрессора
или от обычной заводской сети сжатого воздуха, но требуют тща-
тельной фильтрации воздуха.
Конструктивно аэростатические подшипники могут быть выпол-
нены аналогично гидростатическим по двум схемам: с дроссели-
рованием буртом и с дросселированием щелью. Подшипники с дрос-
селирующей щелью отличаются от первого типа простотой кон-
струкции и сравнительно большими зазорами.
Ввиду невозможности приработки и весьма малых зазоров
пневматические подшипники должны изготавливаться сразу с вы-
сокой степенью точности. Диаметральный зазор 26 для подшипни-
ков диаметром 15—40 мм можно принимать в пределах 0,015—
0,030 мм и для подшипников диаметром 40—70 жж —0,025—
0,040 мм. (При этом овальность, конусность и перекос на длине "под-
шипника должны быть не более 0,002—0,003 мм. Требуемая чистота
поверхности: для вала V И и для вкладыша V Ю. Должны быть
приняты меры для обеспечения соосности подшипника. Одним из
удачных методов .является способ установки с помощью кардано-
вой подвески [Л. 81].
Аэростатические подшипники требуют очень большого расхода
воздуха (0,2—0,5 м^/мин), но воздух может подаваться только
тогда, когда производится измерение момента. Другой недостаток
аэростатических подшипников—сравнительно невысокая грузоподъ-
емность, поэтому их размеры сравнимы с размерами динамометра,
который они поддерживают. В одном из балансирных динамометров
аэростатические подшипники имели диаметр 152 мм при длине
127 мм с диаметральным зазором 0,09 мм и вместе воспринимали
нагрузку 500 кГ. Трение этих подшипников при вращении в чистоте
было весьма мало, но отмечалось, что очень небольшое количество
грязи значительно увеличивает коэффициент трения.
Так же как и у гидростатических подшипников, максимальная
Ар
жесткость подшипника имеет место при вполне определенном
137
(для данных параметров подшипника и давлении г1ода<ЁаемОго воз-
духа) диаметре входного жиклера [Л. 57].
Давление (избыточное) подводимого воздуха в аэростатических
подшипниках составляет обычно 0,5—6 ат. При давлении питания
5—6 ат грузоподъемность достигает 2—3 кГ/см^ и -может быть по-
вышена при применении более высокого давления. Приближенно
поддерживающая сила (предельная нагрузка) аэростатического под-
шипника может быть определена из выражения
где f —площадь проекции подшипника на плоскость, перпендику-
лярную к напразленлю действия нагрузки;
р — давление подводимого воздуха.
ЛИТЕРАТУРА
1. Авдеев Б. А., Торсионный силоизмеритель, «Заводская
лаборатория», 1960, № 12.
2. Альянаки П. Я., Гаузнер С. (И., Ж а в о р о н-
ков М. С, Весоизмерительные приборы, Машгиз, 1950.
3. Башта Т. М., И и к и т и и Г. А., (Исследование явления
гидрозащемления плунжерных пар, Известия высших учебных за-
ведений МВО СССР, серия «Авиационная техника», 1959, № 2.
4. Беликов В. П., Евангулов Л. Б. и др.. Испытание
авиационных двигателей, Оборонгиз, 1938.
5. Богатырев И. С, Применение гидравлических датчиков
в стендах для испытания автомобиля и его агрегатов, в кн. «Во-
просы машиноведения», АН СССР, 1950.
6. Богатырев И. С, Методы исключения трения в изме-
рительных узлах испытательных машин и приборов, в сб. «Трение
и износ в машинах», сб. VII, АН СССР, 1953.
7. Богдан В. М., Некоторые работы ЦНИИТМАШ в обла-
сти гидродинамических передач, в кн. «Передачи в машинострое-
нии», изд. АН СССР, 1953.
8. Водолажченко Ю. Т., Сборка и испытание тракторов,
Машгиз, 1953.
9. В о л ч о к Л. Я., Методы измерения в двигателях внутрен-
него сгорания, Машгиз, 1955.
40. Гаврилеико Б. А., Минин В. А., Словников Л. С,
Гидравлические тормоза, Машгиз, 1961.
П.Гончаров С. П., Киценко В. В. и др.. Измерение на-
пряжений и усилий, Машгиз, 1955.
il2. Г op ли и Г. е., Беляев М. Ф., Весовое коромысло с ав-
томатическим уравновешиванием нагрузки, «Испытательные маши-
ны и весы», информационный сборник НИКИМП, 1959, № 3.
13. Городецкий Ю. Г., Автоматизация пневматических из-
мерений размеров, Машгиз, 1956.
14. Джодж А. В., Испытание быстроходных двигателей вну-
треннего сгорания, ОНТИ, 1934.
15. Др он о в Н. П.. и Баранов А. Г., Гидравлическая си-
стема измерения усилий, вып. «Передовой научно-технич. и произ-
водственный опыт», № М-57-85/2, Фил. ВИНИТИ АН СССР, 1957,
138
16. Дубов Б. С. и Жаворонков М. С, Упругие оноры
весоизмерительных приборов, Машгиз, 1954.
17. Евангулов Л. Б., Гидротормозной динамометр МАИ,
ЦИТЭИН, «Передовой научно-технический и производств, опыт»,
КоМ-б1-120/7, 1961.
18. Ж о X о в ск и й М. К., Теория н расчет приборов с неуплот-
ненным поршнем, Машгиз, 1959.
19. И ог а н с о н Р. А., Кац С. М. Индукторные динамометры
с воздушным охлаждением. Филиал ВИНИТИ, «Передовой научно-
технический и производственный опыт», № П-57-80/6, 1957.
20. Казанский А. М., Исследование работы проволочных
преобразователей с шаровым упругим элементом, «Измерительная
техника», 1961, № 9.
21. Кар пин Е. Б., Весоизмерительные автоматы, Машгиз,
1958.
22. К ар пин Е. Б., Огневич В. А., Щед ровицкий С. С,
Автоматические весы н весовые дозаторы, ВИНИТИ АН СССР,
1959.
23. Кац С. М. и Бирюков А. Л., Точные рабочие поршне-
вые манометры, «(Измерительная техника», 1957, № 4.
24. К о ж у X В. Я., О н и щ е н к о Н. П., Устройство для ди-
станционного управления циферблатными весами, «Измерительная
техника», 1959, № 7.
25. К о м а ш и н ск и й Б. А., Компенсация трения в опорах вра-
щающегося вала, «Приборостроение», 1961, № 8,
26. Кон стан тин е ск у В. Н., Подшипники с воздушной
смазкой, Фил. -ВИНИТИ, № М-58-432/18, 1958.
27. Короткой В. П. и Тайц Б. А., Основы метрологии и
точности механизмов приборов, Машгиз, 1961.
28. Кудрявцев А. П., Проектирование, постройка и испыта-
ние гидравлических турбопередач, Машгиз, 1947.
29. Лесли У. X., Система точного измерения момента с балан-
сирной машиной. Труды Первого международного конгресса ИФАК
по автоматическому упр1авлению, 1960.
30. Лисаченко И. П., Тяговый гидравлический динамограф
ВИМ, «Автомобильная промышленность», 1958, № 3.
31. Лихачев В. С, Испытания тракторов, Машгиз, 1955.
32. Макаров П. М., Динамические погрешности приборов для
динамометрирования сельскохозяйственных машин, «Механизация и
электрификация социалистического сельского хозяйства», 1960, № 6.
33. М а л и к о в Г. Ф., Расчет кв1адранта циферблатных весов
с равномерной шкалой, «Приборостроение», 1959, № 6.
34. Маликов Г. Ф., Расчет квадранта с опорной призмой,
«Измерительная техника», 1961, № 9.
1У 35. Маликов Л. М., Основы конструирования измерительных
'приборов, Машгиз, 1950.
36. М а ЦК ев и ч Д. Д., Использование проволочных преобразо-
вателей для измерения малых сил, давлений и скоростей течения
жидкости, в сб. «Проволочная тензометрия». Ленинградский дом на-
учно-технической пропаганды, кн. 51, Машгиз, 1959.
37. М е д н и к о в А. И. и Ц ы р л и н М. М., Пружинные стре-
лочные динамометры растяжения, «Станки и инструменты», 1956,
№ 1.
139
38. М и р о л ю б о в И. В., Ш а ш и н В. М., Расчет • поддержи-
вающий силы воздушного подшипника скольжения при отсутствии
вращения, Известия высших учебных заведений МВО СССР, серия
«Авиационная техника», 1959, № 2.
39. М и X а й л о в с к и й С. С, Система дистанционной регистра-
ции при взвешивании, «Из.мерительная техника», 1960, № 1.
40. Мошков А. Д., Арефьев В. И., Электропружинный
динамометр для измерения момента трения, «Заводская лаборато-
рия», 1957, № 1.
41. Никитин Г. А., О «защемлениях» плунжерных пар, воз-
ни-кающих после сброса подводимого давления, «Вестник машино-
строения», 1961, Л'Ь 5.
42. О л ь я к В. Д., Б о р и с о в Б. П., Б р ы л е в А. В., Электро-
индукционный тормоз, «Вестник машиностроения», 1961, № 8.
43. Орлов В. В., Орлов С. П., Циферблатные весы, ЦИНТИ
электропромышленности, 1959.
44. Перри К. и Лисснер Г., Основы тензометрирования.
Изд. иностранной литературы, 1957.
45. П и н е г и н Б. Н., Способ иепосредственного замера мощно-
сти сбалансированным электродвигателем, в сб. «Расчет и конструи-
рование машин». Труды Челябинского политехнического института,
вып. 10, Машгиз, 1957.
46. П э н к X е р с т Р., Техника эксперимента в аэродинамиче-
ских трубах, перевод с англ.. Изд. иностранной литературы,
1955.
47. Радчик А. С. и Ш тайгер Е. В., Динамометрические
датчики с винтовыми тензопреобразователями, «Приборостроение»,
1960, No 12.
48. Раевский Н. П., Методы экспериментального исследова-
ния механических параметров машин, изд. АН СССР, 1952.
49. Раппопорт Д. М., Тяговый гидравлический динамометр
ТГД-1, ИТЭИ АН СССР, «Приборы и стенды», тема № 2,
№ ПС-55-458, 1955.
50. Роговая И. А., К а г а н е р М. Г., Поршневой манометр
с нижней подвеской груза, «Измерительная техника», 1960, № 3.
51. С м и р н о в а Н. Л., Теория автоматических коромысловых
весов с электрическим компенсатором веса, «Измерительная техни-
ка», 1960, № 10.
52. С т о л я р о в В. А., Применение проволочной эдектротензо-
метрии в весоизмерительной технике, «Приборостроение», 1960, №12.
53. Столяров В. А. и Больших А. С, Электротензометри-
ческий динамометр, «Приборы и стенды», Фил. ВИНИТИ АН
СССР, 1956.
54. Т е X м е н е в С. С, Элементы точных приборов, Оборонгиз,
1956.
55. Ф е л и к с о н Е. И., Новое в технологии изготовления порш-
ней и цилиндров гидравлических испытательных машин, Бюллетень
техинформ.ации, НИИВеопром, 1954, № 1.
56. Феликсон Е. И., Исследование несовершенств упругости
силоизмерительных пружин, в сб. НИИВеспрома «Весоизмеритель-
ные приборы и испытательные машины», Машгиз, 1959.
57. Шей и б ер г С. А., Современные высокоокоростные маши-
ны с аэродинамическими опорами, Фид. ВИНИТИ, к? М-58-432/18,
1958.
140
58. Ширм а нов Ф. М., Циферблатные автоматически уравно-
вешивающие указательные приборы, в сб. НИИВеспрома «Весо-
измерительные приборы ;и испытательные машины», Машгиз,
1959.
59. Щ е д р о в и ц к и й С. С, Современные весоизмерительные
приборы, Стандартгиз, 1958.
60. Щ е д р о в и ЦК и й С. С, Техника измерения массы, Стан-
дартгиз, 1961.
61. Этингоф М. И., Новые приборы для измерения усилий,
в сб. «Методы и средства контроля и 'испытания материалов, дета-
лей и механизмов», вып. 1, ЦИТЭИН, «Передовой научно-техниче-
ский и производственный опыт», тема 11, № М-60-7/1, 1960.
62. Э ткни Л. Г., Тензометричеокий динамометр, «Измери-
тельная техника», 1961, № 6.
63. Э т к и н Л. Г., Вибрационные динамометры, «Измерительная
техника», 1961, № 12.
64. Юдин В. А., Механизмы приборов, Машгиз, 1952.
65. Air entrainment and compressJbility of hydraulic fluids. Me-
chanical World and Engng Record, 1961, v. 141, № 3501.
66. Aronson M. H., Weight., Instruments and Automats, 1958,
V. 31, № 12.
67. Bartelt G., Ober den Einbau von Kraftmessdosen, VDI-
Zeitschrift, 1961, Bd 103, № 12.
68. В e n z E. K., Ein hochempfindlicher Druckwandler, Techn.
Rundschau, 1960, Bd 52, № 30.
69. Bohrisch W, Ein neuer hydraulischer Zugkraftmesser,
Dtsch. Agrotechn., 1958, Bd 8, № 12.
70. Brown T. W. E., The measurement of power, Quart. Trans.
Instn. Naval Architects, il955, v. 97, № 1.
71. Carleton R. J., Precision high capacity force standards.
Missile Design and Development, I960, v. 6, № 10.
72. Cradled dynamometers and cradled gears iorquemeasuring
equipments, Gen. El. Rev., 1946, v. 49, № 3.
73. Culver E. P., Investigation of a simple form of hydraulic
dynamometer, Mech. Eng., 1937, v. 59, № 10.
74. D e a n D. S., An improved strain-gange type of load-cell
thrust transducer. Aeronautical research council reports and memoran-
da, 1960, No 3153.
75. Drehmomentwaagen fur die Leistungsmessung, Maschine, 1961,
Bd 76 No 1.
76. D о 1 e z a 1 e к С. М., D u t s с h к e W., Versuche mit neuen
Gebern zur Kraftmessung, Werkstattstechnik, 1961, Bd 51, № 3.
77. Drescher H., Versuchstand fur Querlager mit schwimmen-
der Reibungswaage, Konstruktion, 1956, Bd 8, № 6.
78. E m s с h e r m a n n H. H., Kraftmessung, Arch. Techn. Mes-
sen, 1961, No 306.
79. Endert H., Das Stromungslager als Bauelement der Fein-
mechanik, Feingeratetechnik, 1955, Bd 4, № 7.
80. F a 11 i n H., Messverfahrem und Messgerate der Kraft und
Warmewirtschaft, Halle, DDR, 1955.
81. Firth D., Electric dynamometer of high precision, Enginee-
ring, 1955, V. 179, No 4660.
82. Fiischer E., Methoden zum Messen kleiner Momente, Fein-
geratetechnik, 1959, No 3, No 4.
141
83. Fletcher Н. A. G., В a m b о r о u g h J., Developing a pre-
cision dynamometer, Engineering, 1958, v. 186, № 4834; Engineer,
1958, V. 206, № 5352.
84. F о r s t J. J., G e у 1 i n g F. Т., Applications of semiconductor
transducers in strain gages land rigid dynamometers, Proc. of the Soc.
for Exptl. stress Analysis, 1959, v. 17, № 1.
85. G e r 1 a с h H. G., Leisiungswaage fur die unmittelbare mes-
sung des motoren, ETZ, 1959, A 80, № 19.
86. G i e 1 e s s e n J., H i 1 d K., Kolbenmanometer mit direkter
Anzeige, Ztschr. fur angewande Phys., 1956, № 6.
87. G r a m b e r g A., Technische Messungen bei Maschinenunter-
suchungen und zur Betriebskontrolle, Berlin, Springer-Verlag, 1953.
88. H a 11 i d a у R. F., A ship model dynamometer, Austral. J.
Instrum. Technol., 1958, v. 14, № 4.
89. Heen-an und Froude dynamometer for high-speed engines.
The oil engine and gas turbine, 1951, p. 302.
90. H e n d e n A. L., Chapman G. C, Weighing techniques for
automatic production lines. Trans. Soc. Instrum. Technol., 1959, v. 11,
№ 3.
91. Himmler C. R., Drehmomentmessung von Flugmotoren in
Hohenprufstanden, VDI, 1940, Bd 84, № 26.
'92. Horn K., Elektrische Messung von Kraften und Drucken,
VDI-Zeitschrift, 1961, Bd 103, № 22.
93. H u 110 n S. P., Techniques for hydraulic machinery rese-
arch. Trans. Inst. Engrs. Shipb. Scot., 1956—1957, v. 100, p. 4.
94. Hydraulic Load Cells, Mech. World. 1953, v. 133, № 3413.
95. J ass 0 у P. A., A survey of industrial weighing techniques,
Brit. Communs and Electron, 1960, v. 7, № 5.
96. Kennedy V. C, Determining Weight electronically, Mech.
Eng., 1954, v. 76, No 2.
97. К i n d s e n R. F., Discussion of present day dynamometers.
Gen. Motors Eng. Rev., 1957, v. 4, № 4.
98. К1 i n t R. v., О w e n s R. S., Bearing dynamometer, Rev.
Scient. Instrum., Г959, v. 30, № 9.
99. К о 1 о с J., М а j к u s С. J., Nekolik aplikaci pneumatickych
meficich pfistroju, Strojirenstvi, 1952, v. 2, № 8, Feingeratetechnik,
1953, Bd 2; No. 8.
1100. Kuhlenkamp A., S t a r о s t e J., Messgerate zur Bestim-
mung von Reibungsmomenten, Feinwerktechnik, 1958, Bd 62, № 2.
101. Lehmann R., Wiemer A., Endert H., Luftgelagerte
Bauelemente im Feingeratebau, Feingeratetechnik, 1957, Bd 6. № 7.
102. Locker у H. E., Applying the straingage torque transducer,
ISA Journal, 1961, v. 8, № 3.
103. Marks on A. A., Williams R. S., Development of an
air operated force-measuring system. Trans. ASME, 1948, v. 70, № 4.
104. McNeill R. C, Hydraulic load cells. Instruments a. Con-
trol Systems, 1959, v. 32, № 5.
105. M e 1 z e r C, Neue Prinzipien der Kraft- und Arbeitsmessung
bei Festigkeitspriifmaschinen, Feingeratetechnik, 1961, Jg. 10, № 7.
106. Mint гор H., Das Messen von Kraften in der Fertigung,
Werkstattstechnik und Maschinenbau, 1952, № 2.
107. Mob erg R. J. a. P al azzo E. В., The NACA hydrauh'c
torque system for indicating propeller torque, Instruments, 1958 v. 21,
№ 12.
142
108. Neuartige Messfedern, Draht, 1959, Bd 10, № 6.
109. A new Froude dynamometer. Power Transmission, 1958, v. 27,
No 313.
MO, A naw range of hydraulic dynamometer. Oil Engine and
Gas Turbine, 1958, v. 26, № 301.
Ml. Pickup K. H., Choosing a force measuring device. Instru-
ment Practice, 1959, v. 13, № 11.
112. Potts P. S., Hydrostatic bearings minimize friction in
cradle dynamometers. Machine Design, 1952, v. 24, № 10.
113. P 0 11 s P. S., S с h u e r m a n P. Т., How to choose electric
dynamometers, Machine Design, 1957, v. 29. № 13
M4. P r i e s t e 1 E., Messung kleiner drehmomente mit pendelnd
gelagertem Elektromotor, Feingeratetechnik, 1957, Bd 6, № 7.
115. Ranky M., Einige neue Methoden der Kraftmessung in der
Fertigungstechnik, Technik, 1961, Bd 16, № 5.
116. Riedig F., Eine Wasserbremse mit umlaufendem Gehause,
VDI, 1950, Bd 92, No. 14.
117. Rotating linear-acting cylinder reduces friction, Machine De-
sign, 1957, V. 29, No 13.
118. Rost H., Die elektrodynamische Leistungswaage (Pendel
Maschine), Technische Rundschau, 1954, Bd 46, № 2.
119. Sch игре 1 H., Neue Materialprufmaschinen, Industrie-
blatt, 1960, Bd 60, No 12.
120. Sims R. В., Load cells in industrial weighing, Control,
1960, V. 3, No 20, 22, 23.
121. Steele D. J., Recording weight meter, J. of Scientific In-
struments, 1960, V. 37, № 1.
122. Tate M. C, Try hydraulic load cells for accurate weight
and force measurements, Power Eng., 1959, v. 63, № 3.
123. The construction and use of Mecalix transducer units, Ma-
chinery (L), 1953, V. 82, No 2118.
124. Torque measuring device utilizes compressed air, Automative
and Aviation Industries, 1947, v. 96, № 11.
125. Trapp W., Elektrische Ubertragungsmittel an Waagen,
Arch, techn. Messen. ^957, № 261; 1958, № 270.
126. Van Der Breggen J. C. a. W о u t e r 1 о a d H. J., Novel
displacement aetector and its application in a recording thermobalan-
ce, J, of S^entific Instruments, 1960, v. 37, № 8.
J^. Vogelpohl G., Das hydrostatische Lager und die Moglich-
key.cn seiner Anwendung, Konstruktion, 1957, Bd 9, № 2.
/ 128. Warring R. H., Dynamometer, A survey of modern prac-
tice. Automobile Eng., 1953, v. 43, № 571.
'129. Wei tho f f G., Neuzeitliche elektronische Wagung, Werk-
stattstechnik, 1960, Bd 50, No. 10.
/130, Winther J. В., Electric eddy current machinery, E. Eng.,
1947, V. 66, No. 7.
СОДЕРЖАНИЕ
Введение • . 3
Глава первая. Классификация и характеристики балан-
сирных динамометров 4
1. Механофрикционные тормозные динамометры 4.
2. Гидравлические тормозные динамометры 4
3. Аэродинамические тормоза 19
4. Электрические приводные и тормозные динамометры 20
5. Регулировочные свойства тормозных динамометров . 22
6. Редукторные динамометры ..... • . 24
7. Факторы, влияющие на точность балансирных динамо-
метров 25
8. Силоизмерители с электромагнитным уравновешиванием 34
Глава вторая. Механические системы измерения уси- ^
ЛИЙ и вращающих моментов 37
9. Рычажные силоизмерители 37
10. Маятниковые динамометры 45
П. Рычажные системы с квадрантными весовыми указате-
лями 49
12. Телепередача и регистрация показаний циферблатных
силоизмерительных приборов 60
13. Упругие силоизмерители 62
Глава третья. Гидравлические и пневматические си-
стемы измерения усилий и вращающих моментов 77
14» Статические диафрагменные мессдозы 77
15. Проточные меси дозы 84
16. Компенсационные мессдозы 93
17. Поршневые манометры гидравлических силоизмеритель-
ных систем 101
Глава четвертая, Тарировочные устройства 107
18. Грузовые тарировочные устройства 108
19. Гидравлические тарировочные устройства 112
20. Точность тарирования • 113
21. Обработка результатов тарирования 117
Глава пятая. Балансирные опоры 120
22. Балансирные опоры на подшипниках качения 121
23. Опоры на вращающихся и колеблющихся подшипниках 126
24. Упругие опоры 128
25. Гидростатические и аэростатические опоры 131
Литература 138