ПРОВЕДЕНИЕ ИСПЫТАНИЙ В ЦЕЛЯХ УТВЕРЖДЕНИЯ ТИПА В СООТВЕТСТВИИ С ГОСТ Р 53228. МАШИНА СИЛОВОСПРОИЗВОДЯ

В.М. Гончарук, ведущий конструктор ООО "Авитек-Плюс"

В.А. Меньщиков, советник по инновационной деятельности ООО "Авитек-Плюс"

А.Л. Платонов, главный инженер проектов ООО "Авитек-Плюс"

Д.А. Ямпольский, директор по научной работе ООО "Авитек-Плюс"

Разработанная ООО «Авитек-Плюс» силовоспроизводящая машина МСВ-250 предназначена для передачи размера единицы силы методом прямых измерений. Передача размера единицы силы осуществляется в автоматическом и автоматизированном режимах с точностью и в последовательности, предусмотренными рекомендацией МОЗМ Р60 [1] и ГОСТ Р 53228-2008 [2].

Машина силовоспроизводящая МСВ-250 служит для:

• обеспечения проведения испытаний ДВТ Р65 (измерительный рельс для вагонных весов ВД-30) в соответствии с ГОСТ Р 53228-2008.
• обеспечения метрологического контроля и калибровки тензометрических датчиков на стадиях входного контроля и технического обслуживания.
• обеспечения метрологического контроля и калибровки крановых весов.

Основные характеристики машины МСВ-250 приведены в таблице 1, общий вид – на рисунке 1.

Таблица 1. Основные характеристики МСВ-250

Силовоспроизводящая машина МСВ-250 состоит из силозадающего устройства (схема расположения его основных элементов изображена на рисунке 2); пульта управления; приспособления для проверки тензометрических датчиков и трехфазного понижающего трансформатора.

Основные компоненты силозадающего устройства перечислены ниже:

• основание;
• привод, состоящий из 2-х подъемных механизмов, включающих в себя червячную и шарико-винтовую передачи и соединенных между собой регулируемой карданной муфтой;
• серводвигатель;
• муфта сцепления для передачи момента от двигателя на подъемные механизм;
• два блока оптических концевых выключателей;
• съемный штурвал;
• специализированный усилитель Interface 9840;
• два сменных образцовых датчика силы Platinum 1820 и Platinum 1830 на 100 кН и 250 кН соответственно (класс 00 по ISO 376).

Пульт управления включает:

• весовой преобразователь для преобразования сигнала поверяемого датчика;
• блок управления серводвигателем с регенеративными резисторами;
• автоматы питания;
• источники вторичного электропитания;
• органы управления;
• персональный компьютер с установленным на нем операционной системой, специальным программным обеспечением, платой аналогового вывода и платой расширения.

Приспособления для проверки тензометрических датчиков могут быть использованы как для проверки датчиков колонного, так  и балочного типа.

Использование редуктора с червячной и шарико-винтовой передачей обусловлено следующими положительными характеристиками:

• Малое трение. При построении контуров автоматического регулирования удается сравнительно простыми мерами избежать фрикционных автоколебаний. Благодаря тому, что машина работает в условиях постоянной и однонаправленной нагрузки, эта малое трение легко преодолевается и происходит естественная выборка люфта.
• Большое передаточное число. Одному обороту входного вала соответствует перемещение всего лишь на 280 мкм. Это критически важно для возможности точной задачи и поддержания нагружающей силы, так как именно перемещение, в условиях конечной жесткости силовой цепи, приводит к изменению величины нагружения.
• Точность изготовления винтов. Погрешность изготовления на 1 метр не превышает 250 мкм. Таким образом, достаточно добиться горизонтальности подвижной траверсы на одной высоте и уже не контролировать этот параметр при перемещении, так как при любом ее положении достаточно строгая вертикальность приложения силы обеспечивается самой конструкцией.

Перечисленные особенности шарико-винтовой передачи во многом обусловили возможность построения такого рода силовоспроизводящей машины.

Для приведения в движение траверсы используется бесколлекторный двигатель с постоянными магнитами на роторе (серводвигатель). Его основные преимущества перед двигателями других типов:

• Способность к длительному поддержанию момента при сколь угодно малых оборотах, вплоть до режима торможения без перегрева обмоток.
• Весьма жесткая и прямо пропорциональная (после учета угла поворота и электрической редукции) зависимость между током в обмотке статора и развиваемым моментом.

Известный недостаток таких двигателей – большой момент инерции ротора – для применения в условиях большой полезной нагрузки значения не имеет.

Принцип действия силовоспроизводящей машины МСВ-250 основан на преобразовании вращательного движения вала двигателя в поступательное движение винтов, а момента вращательного движения в силу. Усилие винтов прикладывается к испытуемому тензометрическому датчику или измерительному рельсу через подвижную траверсу и образцовый датчик. Сигнал образцового датчика преобразуется специализированным усилителем и по интерфейсу RS-232 передается в персональный компьютер. В компьютере производится сравнение сигнала этой обратной связи и заданного значения, полученная разность обрабатывается и формируется значение требуемого вращающего момента. Значение вращающего момента выдается на аналого-цифровой преобразователь (АЦП) блока управления серводвигателем (на блоке управления серводвигателем предустановлен режим управления моментом с ограничением максимальной скорости).

При срабатывании одного из концевых выключателей (перекрывание якорем светового потока) привод перестает отрабатывать управляющие воздействия, направленные в сторону выхода из рабочей зоны.

Взаимодействие компонентов МСВ-250 и внешних устройств показано на структурной схеме, рисунок 3.

Достижение заданного значения силы ведется в четыре этапа.

Задается ограничение скорости приложения нагрузки и номинального момента двигателя со ступенчатым снижением ограничения скорости от этапа к этапу. Фактическое значение момента оказывается равным моменту трения покоя для текущего значения нагрузки. Переход от этапа к этапу производится по достижению заданного значения ошибки нагружения (модуля разницы между заданным и текущим усилием). Заданное значение ошибки нагружения зависит от жесткости силовой цепи и от типа и конструкции испытуемого датчика. В случае, когда начальное отклонение задаваемой нагрузки от текущей меньше заданного для этапа значения ошибки, соответствующий этап пропускается.

Стабилизация нагрузки производится на четвертом этапе. Значение момента изменяется по интегро-дифференциальному закону до тех пор, пока нагрузка не станет соответствовать указанному выше допуску. До выхода нагрузки из заданных пределов (вызывается медленно меняющейся деформацией элементов силовой цепи) регулирование ведется по интегральному закону (без дифференциальной составляющей), т.е. сформирован контур с астатизмом 1-го порядка. Как известно, астатизм 1-го порядка подразумевает, что постоянное возмущение на большом интервале времени парируется полностью.

Точное регулирование с использованием редукторного привода сопряжено с известными трудностями. Перечислим их:

• Наличие люфтов в передаче.
• Наличие трения в ступенях редуктора. Причем проблемы вызываются не только релейной характеристикой сухого трения, но и тем фактом, что трение покоя всегда выше трения качения - возникают так называемые «фрикционные» колебания.
• Конечная жесткость цепи силопередачи.

Наиболее простое представление цепи силопередачи – пружина с люфтами и трением.

К счастью, особенности самой задачи силовведения и выбранного привода несколько облегчают процесс регулирования. Выше уже говорилось про «естественный» выбор люфта.

К этому можно добавить, что контур регулирования силы имеет сравнительно узкую полосу пропускания, и конечная жесткость цепи силопередачи оказывается приемлемой.

Оставшаяся проблема – трение в ступенях редуктора – решается специальной, нелинейной организацией контуров регулирования силы, а также высокой добротностью контуров стабилизации момента и ограничения тока.

Для иллюстрации точности регулирования стоит обратить внимание на то, что при существующей жесткости цепи передачи силы для поддержания погрешности силовоспроизведения в пределах ±0,6 кг нужно иметь возможность управлять перемещением гайки шарико-винтовой передачи с точностью лучше ±50 нм. В угловой мере, приведенной к валу двигателя, эта величина соответствует повороту на 3 угловые минуты.

Машина МСВ-250 позволяет реализовать следующие виды испытаний:

• определение погрешности взвешивания;
• определение погрешности повторяемости;
• определение погрешности ползучести;
• определение возврата выходного сигнала при минимальной статической нагрузке;
• определение влияния температуры на выходной сигнал при минимальной статической нагрузке.

Машина МСВ-250 обеспечивает автоматический режим управления воспроизведением силы по заданной циклограмме. Могут быть предусмотрены циклограммы, обеспечивающие выполнение испытаний тензометрических датчиков в соответствии с отечественными стандартами, стандартами ISO и ASTM, рекомендациями МОЗМ. Также автоматически формируются и печатаются протоколы калибровки и поверки, а при использовании специализированной климатической камеры – с указанием температуры и влажности.

Для использования силовоспроизводящей машины МСВ-250 по назначению на законных основаниях требуется подтверждение возможности воспроизведения условий испытаний в пределах допускаемых отклонений и установление пригодности использования испытательного оборудования в соответствии с его назначением. Указанные действия должны быть реализованы в рам-ках ГОСТ Р 53228-2008 [2], а также ГОСТ Р 8.568-97 [3].

Список литературы

1. МР МОЗМ 60. Метрологические регламентации для датчиков весоизмерительных.

2. ГОСТ Р 53228-2008. Весы неавтоматического действия. Часть 1. Метрологические и технические требования. Испытания. – Москва. – 2009.

3. ГОСТ Р 8.568-97. Государственная система обеспечения единства измерений. Аттестация испытательного оборудования. Основные положения. – Москва. – 2007.