Измерение механических колебаний,

СИЛ, КРУТЯЩИХ МОМЕНТОВ, ИЗНОСА,

ТЕПЛОТЫ И ТЕМПЕРАТУРЫ

 

12.1. Измерение механических колебаний

 

Под механическим колебанием (вибрацией) понимают изменение времени механического движения (перемещений) в заданных пределах. Сюда относятся изменяющиеся во времени движения – прямолинейное, круговое и др., изменяющиеся во времени силы (нормальные силы, изгибающие моменты, вращающие моменты, давления жидкости, газа), а также зависящие от них механические напряжения. В колебательном процессе различают детерминированные процессы, подчиняющиеся определённому закону, которые повторяются или могут повторяться во времени; стохастические процессы (беспорядочные процессы, которые не описываются математической функцией и определяются случайной последовательностью разных причин). Цель измерения механических колебаний сводится к получению по возможности наиболее полной информации о колебательном процессе. При детерминированных процессах эта задача решается путём определения амплитуды, частоты или положения по фазе. При стохастических процессах можно лишь путём «сортировки» мгновенных значений по различным критериям ограничиться статистическими оценками. В простейшем случае это сводится к измерению уровня колебаний.

Механические параметры колебаний, а именно виброперемещение, виброскорость и виброускорение, могут быть измерены при помощи преобразователей относительного или абсолютного перемещения.

Преобразователь относительных перемещений измеряет параметр колебаний по отношению к любой внешней неподвижной (опорной) точке. Он может быть различным образом соединён с объектом измерения.

Для измерения относительных виброперемещений в основном используют индуктивные преобразователи перемещения с сердечниками, (для измерения перемещений 0,l – 300 мм) или со щупом (для измерения перемещений в пределах 1 – 50 мм), жёстко соединёнными с объектом измерения.

Особое значение для измерения параметров механических колебаний (вибраций) имеют также бесконтактные измерительные преобразователи. Они не требуют какого-либо механического соединения с объектом измерения и потому работают почти полностью без обратного воздействия. Достоинством этих преобразователей является то, что они позволяют измерять вибрации объектов, которые одновременно перемещаются в разных измерениях, например радиальные колебания вращающихся валов. Сам объект измерения должен быть, насколько это возможно, выполнен из магнитного материала или иметь на измерительной поверхности покрытие из такого материала. Объекты измерения из немагнитного материала, обладающего высокой электрической проводимостью, могут быть использованы для бесконтактного измерения, однако такому способу измерения присущ недостаток, заключающийся в меньшей чувствительности и в повышенной температурной зависимости.

Реже, наряду с описанными индуктивными системами для относительных измерений колебаний применяют также измерительные потенциометры и емкостные преобразователи. При помощи емкостных преобразователей можно бесконтактно измерять зазоры как между металлическими, так и неметаллическими объектами.

Для измерения виброскорости используются электрические преобразователи с электродинамической измерительной системой. Верхняя предельная частота преобразователей виброскорости составляет около 1000 Гц. Измеряемые виброскорости находятся в пределах 0,1 – 100 мм/с. С помощью электронных дифференцирующих и интегрирующих приборов преобразователи абсолютной виброскорости можно использовать для измерения виброперемещений и виброускорений.

Измерительные преобразователи ускорения (акселерометры) представляют собой в принципе преобразователи абсолютных перемещений. По виду электрической части системы их разделяют на резистивные (работают на ускорения примерно до 10⁴ м/с² и с частотами примерно до 10 кГц) и индуктивные (максимальные ускорения, воспринимаемые индуктивными преобразователями ускорения, составляют 2500 м/с² при частоте в 2000 Гц), а также пьезоэлектрические. Последние пригодны для колебаний высокой частоты и ударных ускорений.

 

12.2. Измерение сил

 

Деформацию чаще всего измеряют описанными выше электрическими, оптическими или механическими методами.

В зависимости от выбранного метода и диапазона измерения деформируемый чувствительный элемент (воспринимающий деформацию) выполняют так, что деформация воспроизводится в виде растяжения или сжатия. Упругий элемент совместно с приданными ему элементами, выполняющими функции преобразования (механическими, электрическими или др.), защитным корпусом и т.д. образует преобразователь силы (динамометр).

Среди динамометров наибольшее значение, в том числе в качестве датчиков веса, имеют электрические динамометры, а именно тензорезисторные динамометры. Диапазон измерения этих динамометров от 5 Н до более чем 10 МН. В зависимости от затрат, уровня техники и производственных возможностей погрешность может быть снижена до величины, 0,03 % и даже 0,01 %.

В простейшем виде упругий чувствительный элемент динамометра представляет собой стержень, нагруженный вдоль оси. Чувствительные элементы этого типа используют для измерений в диапазоне 10 кН – 5 МН.

Для измерения сил в меньшем диапазоне (примерно до 5 Н) и увеличения показания применяют чувствительные элементы, в которых используются не продольные деформации, а деформации изгиба или сдвига. В последнем случае применяют консольные торсионные чувствительные элементы в виде плоского стержня с острыми рёбрами. Хорошие результаты измерений показывают многостержневые чувствительные элементы, работающие на срез.

Пьезоэлектрические динамометры применяют для измерения динамических и квазистатических сил. Чувствительными элементами в них являются пластинки из пьезокварца. При нагружении на их поверхностях образуется пропорциональный нагрузке электрический заряд. Усилитель с большим входным сопротивлением, подключенный к чувствительному элементу, преобразует заряд в соответствующее электрическое напряжение. Так как электрический заряд возникает в момент приложения сил, то пьезокристаллические динамометры особенно удобны для измерения очень быстро изменяющихся и ударных нагрузок, к тому же при повышенных температурах.

В струнных динамометрах ферромагнитная струна расположена вдоль оси упругого полого цилиндра между двумя связанными с ними плоскостями, на которых расположены точки крепления концов струны. При приложении к цилиндру нагрузки, направленной вдоль его оси, изменяется расстояние между двумя упомянутыми выше плоскостями, а вместе с этим меняется и частота колебаний натянутой струны. Частота является мерой нагрузки и может быть измерена известными способами.

Механические динамометры в основном используют в следующих двух областях:

а) в контрольно-испытательной аппаратуре, в частности, для проверки испытательных машин и защитных устройств на прессах (здесь они всё больше заменяются тензорезисторными динамометрами);

б) в промышленных установках для выявления нагрузочной способности рабочих машин и т.п.

Они применимы только для измерения статических сил.

Гидравлические динамометры можно использовать для измерений со средней точностью в тяжёлых условиях эксплуатации. Такие измерительные устройства допускают подключение самопишущих приборов.

 

12.3. Измерение крутящих моментов

 

Тензорезисторные преобразователи (датчики) крутящего момента находят широкое использование для измерения крутящего момента. Диапазон измерений серийно выпускаемых тензорезисторных преобразователей крутящего момента составляет от 0 – 0,1 Н м до 0 – 50 кН·м, а в случае необходимости и более.

Преобразователи (датчики) крутящего момента с бесконтактной передачей сигналов наиболее эффективны для непрерывного контроля, так как они работают практически без износа и без обслуживания.

Индуктивные преобразователи (датчики) крутящего момента принципиально могут быть применены в тех же областях, что и тензорезисторные преобразователи. Однако они отличаются повышенной чувствительностью (диапазон измерений находится в пределах от 0 – 0,1 Н·см до 0 – 100 кН·м).

Струнные преобразователи (датчики) крутящего момента выпускают серийно для установки на валах диаметром 50 – 750 мм. В зависимости от производственных условий это примерно соответствует диапазонам измерения крутящих моментов от 0 – 100 Н·м до 0 – 5 МН·м. Максимальная частота вращения составляет 1500 об/мин для валов малого диаметра и снижается максимум до 150 об/мин для валов большого диаметра. Класс точности самого измерительного устройства 0,5 – 1 %.

Пьезоэлектрические преобразователи (датчики) крутящего момента используют пьезоэлектрический эффект в кварцевых пластинках. Применение его в основном такое же, как в пьезоэлектрических динамометрах.

Измерять крутящий момент можно механическими методами, например маятниковыми весами, или электрическими методами, например, с помощью тензорезисторов.

Испытательные стенды, обычно называемые балансирными машинами, служат для определения мощности и характеристики мощности силовых машин всех типов и используются при экспериментальных и конструктивных разработках, а также в серийном производстве. В их состав входят устройства для измерения крутящего момента, определения частоты вращения и других параметров. В зависимости от конструктивного исполнения и оснащения они снабжены устройствами для регулирования и управления, позволяющими получить характеристики в функции различных критериев. Таким образом, обеспечивается возможность быстрого суждения о поведении и процессе работы силовых машин, испытываемых на этих стендах.

 

12.4. Способы измерения износа поверхностей

деталей машин

 

Около 85…90 % изделий машиностроения выходят из строя в результате изнашивания и только 10…15 % по другим причинам.

Различают изнашивание механическое (абразивное, эрозионное, гидроабразивное, газоабразивное, усталостное и др.), коррозионно-механическое (окислительное, фреттинг- коррозия), изнашивание при «заедании» сопряжённых пар.

Измерение износа по потере массы или объёма детали используется, как правило, при исследовании образцов и непригодно для большинства деталей машин.

Оценка износа по изменению выходных параметров сопряжения даёт лишь косвенное представление об износе вследствие того, что выходные параметры сопряжения зависят от большого числа факторов, которые не представляется возможным оценить полностью.

Известен способ определения износа по содержанию продуктов изнашивания в смазочном масле. Способ основан на взятии пробы отработавшего масла, где накопились продукты изнашивания, представляющие собой металлические частицы, окислы металлов и продукты химического взаимодействия металлов с активными компонентами смазочных материалов. Этот способ позволяет избежать необходимости разборки машин и их узлов. Он применяется в лабораторных и эксплуата- ционных условиях для измерения интегрального износа узлов различных машин, например технологического оборудования, транспортных машин, двигателей внутреннего сгорания, зубчатых передач и т.п. Точность метода определяется чувствительностью приборов к содержанию в масле металлических примесей (10^–6…10^–8 г в 1 см³ масла).

Анализ проб масла производится следующими методами:

– химическим (определяется содержание железа и других продуктов изнашивания в золе сожжённой масляной пробы);

– спектральным (определяют содержание металлических примесей в масле посредством спектрального анализа состава пламени при сжигании его пробы);

– радиометрическим (измерение радиоактивности продуктов изнашивания, содержащихся в смазочном масле, накапливающихся в масляном фильтре). Радиоактивность материала деталей создаётся введением радиоактивных изотопов в металл при плавке или с помощью покрытия деталей слоем из радиоактивных веществ;

– активационным анализом (содержание продуктов изнашивания в масле определяется по их радиоактивности посредством анализа спектров гамма-излучения пробы после облучения её нейтронами).

В методе микрометрических измерений размеры детали до и после изнашивания измеряются при помощи микрометра, индикатора или других приборов, точность которых обычно находится в пределах 1...10 мкм. При небольших размерах детали и возможности её демонтажа измерения износа можно производить с помощью инструментального или универсального микроскопов, оптиметра, проектора, измерительной машины и других приборов. Для деталей больших размеров, измерение износа которых необходимо проводить без разборки машины, часто разрабатывают специальные приспособления с применением универсальных измерительных приборов.

Недостатками метода микрометрирования являются: невозможность осуществления измерения износа в процессе работы машины; необходимость, как правило, частичной разборки узла или его демонтажа; громоздкость приспособлений для непосредственных измерений; невозможность при отсутствии измерительной базы оценки износа, а в ряде случаев и формы изношенной поверхности.

Разновидностью микрометрического метода измерения износа является профилографирование. При этом могут использоваться два варианта этого метода. Первый из них применяется, когда на детали или образце имеются изношенный и неизношенный участки. При снятии профилограммы этих двух участков по высоте «уступа» можно оценить износ, а также изменение шероховатости поверхности. Когда изнашиваются лишь выступы микронеровностей, применяют способ наложе- ния профилограмм, снятых с одного и того же участка, до и после изнашивания. Для точного совмещения профилограмм на поверхности наносят контрольную риску. При этом можно судить не только о средней величине износа, но и о росте площади опорной поверхности. Точность измерения зависит от условий касания и погрешности повторной установки измерительного наконечника относительно исследуемой поверхности, а также погрешности совмещения профилограмм.

Метод искусственных баз заключается в том, что на поверхность детали наносят углубление строго определённой формы (в виде конуса, пирамиды и т.п.) и по уменьшению размеров углубления (отпечатка) судят об её износе. Метод искусственных баз может быть использован для измерения износа только тех деталей, на поверхности которых допускается нанесение углублений. Находят применение различные вари- анты рассматриваемого метода: метод отпечатков, метод вырезанных лунок и метод слепков.

При методе отпечатков для образования углубления на исследуемой поверхности используют алмазную четырёхгранную пирамиду с квадратным основанием и углом при вершине между противолежащими гранями в 136° (такая пирамида применяется в приборах для определения твёрдости по методу Виккерса и микротвёрдости). После вдавливания пирамиды под нагрузкой измеряется диагональ отпечатка. После изнашивания размер отпечатка d ₀ уменьшается до d ₁, и по разности
d ₀ – d ₁ оценивают износ U = h ₀ – h ₁. Длину диагонали измеряют при помощи оптического измерительного устройства. Метод имеет ряд недостатков: при вдавливании пирамиды вокруг отпечатка происходит выпучивание материала, в результате чего искажается форма отпечатка; после снятия нагрузки происходит некоторое восстановление углубления, оно изменяет свою начальную форму. Если выпуклости можно удалить полированием, то упругого восстановления отпечатка устранить нельзя, что обусловливает погрешность измерения износа. Этот метод неудобен также и тем, что размеры отпечатка малы и для нанесения его требуются большие усилия.

Метод вырезанных лунок заключается в том, что на исследуемой поверхности вращающимся резцом вырезается лунка, по уменьшению размеров которой при изнашивании определяют местный износ. Метод лунок имеет ряд существенных преимуществ перед методом отпечатков:

1) лунка образуется резанием, а не вдавливанием, поэтому явления вспучивания и упругого восстановления сведены к минимуму;

2) соотношения между длиной лунки и её глубиной таковы, что уменьшение длины лунки легко определить даже при незначительном износе;

3) усилия, необходимые для вырезания лунки, невелики, что позволяет создавать малогабаритные приборы для измерения износа плоских, цилиндрических, наружных и внутренних, а также фасонных поверхностей деталей в производственных и лабораторных условиях.

Если измерить износ непосредственно на детали трудно, используют метод негативных отпечатков (слепков). С поверхности детали в том месте, где нанесено углубление (обычно отпечаток или специальная риска), снимают слепок из самотвердеющей массы или оттиск на пластичном металле или пластмассе. Высоту отпечатка измеряют обычными способами и сравнивают с размером, снятым при вторичном оттиске изношенной поверхности.

Основой способа поверхностной активации является измерение снижения радиоактивности при изнашивании поверхности детали, в которой на заданном участке создан радиоактивный слой глубиной 0,05...0,4 мм путём облучения участка поверхности или вставки в неё заряжённых частиц (дейтронов, протонов, альфа-частиц). Этот способ пригоден для определения износа поверхностей деталей при стендовых и эксплуатационных испытаниях без разборки и остановки машин. Он позволяет оценивать малые износы, сокращать продолжительность испытаний, исследовать динамику процесса изнашивания, организовывать автоматизированный и дистанционный контроль качества изделий.

 

12.5. Измерение температуры и теплоты

 

Чаще всего применяются механические контактные термометры. Преимущества механических контактных термометров:

1) высокая прочность;

2) высокая точность;

3) низкие затраты на обслуживание;

4) низкая стоимость.

Механические контактные термометры имеют один существенный недостаток: их сигналы не могут быть переданы на значительные расстояния и объединены с другими сигналами в информацию, пригодную для дальнейшей переработки. Поэтому в промышленной практике температуру измеряют в основном термометрами, действие которых основано на изменении электрических свойств различных веществ с изменением температуры.

Они широко применяются для проведения лабораторных и экспериментальных работ. Показание термометра считывают, как правило, прямо на месте измерения. Имеются варианты исполнения, в которых измерительный сигнал может быть передан на некоторое ограниченное расстояние. Их изготавливают в виде температурных реле (выключателей) или передатчиков температуры (выходные сигналы могут быть пневматическими, гидравлическими или электрическими) или даже в виде механических регуляторов температуры прямого действия (без подвода какой-либо вспомогательной энергии).

Дилатометрические термометры часто используют там, где требуются большие усилия в исполнительном механизме, например в регуляторах температуры прямого действия, поскольку для компенсации температурного расширения стержня его упругим сжатием согласно закону Гука требуется весьма большое усилие.

В биметаллических термометрах для индикации температуры используют различное температурное расширение двух разнородных материалов. Их основные преимущества:

1) малые размеры по сравнению с дилатометрическими термометрами;

2) простота и дешивизна конструкции;

3) широкий диапазон измеряемых температур (–50 + 600 °С);

4) высокая точность (погрешность измерения от ±1 до ±3 %).

Недостатком является то, что при температурах до 600 °С их можно применять лишь кратковременно.

Существуют также термоэлектрические термометры (термопары). Все материалы для термопар делят на две группы: пары благородных металлов и пары неблагородных металлов.

В отличие от термоэлектрических термометров (термопар), с помощью которых можно измерять только разность температур по отношению к некоторому известному уровню, термометры сопротивления позволяют измерять и абсолютные значения температуры.

Диапазон измерения стеклянных жидкостных термометров зависит от свойств термометрической жидкости.

В газовом термометре могут быть использованы любые газы, близкие к идеальному (гелий, азот, аргон). На измерение оказывают искажающее влияние многие факторы, для исключения которых необходим ряд корректировочных мероприятий. Для технических целей газовый термометр слишком сложен. Наименьшая температура, которую можно измерить газовым термометром, немного выше критической точки использованного газа (азота –147 °С, гелия –268 °С). Верхний предел измерения ограничивается прочностью чувствительного элемента и плотностью (непроницаемостью для газа) при высоких температурах. Обычно можно измерять температуры в диапазоне –125 + 500 °С.

Пароконденсационные термометры работают по тому же принципу, что газовые и жидкостные. Различие заключается в том, что чувствительный элемент здесь заполнен частично жидкостью, частично её парами. Здесь используется свойство каждой жидкости иметь своё характеристическое давление пара, зависящее только от температуры, а не от объёма. Это давление называется давлением насыщенного пара.

Измерительные приборы, которые могут по электромагнитному излучению определять температуру излучающего тела, называют пирометрами излучения (радиационными термометрами), или просто пирометрами. Приёмник волн теплового излучения наряду с оптикой является важнейшей составной частью пирометра. Различают следующие приёмники:

– чёрные и серые приёмники (термопары или болометры (термометры сопротивления или терморезисторы), закреплённые на зачернённых пластинках из золота или платины). Их чувствительность в основном не зависит от длины волны и проявляется как в ультрафиолетовой, так и в крайней инфракрасной области спектра. Поэтому они особенно пригодны для измерения низких температур, поскольку в этом случае тепловая энергия излучается на длинных волнах;

– селективные чувствительные элементы - сенсоры - (фотоэлектрические приёмники излучения; фотоэлементы, фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы).

Задачей калориметрии является экспериментальное определение влияния различных параметров на превращения тепловой энергии (на тепловой эффект). Устройства, в которых протекают исследуемые процессы, называют калориметрами. Измерение количества тепла сводится к определению разности температур (косвенный метод измерения).

При экспериментальном исследовании тепловых явлений часто пользуются методом естественной термопары. Следует иметь в виду, что термоЭДС естественной термопары сильно искажается в связи с наличием паразитных термопар, возникающих в других местах стыка исследуемой пары с другими деталями механизма и вследствие этого необходима надёжная изоляция. При изменении температур методом естественной термопары измеряется некоторая средняя температура, которая не даёт представления об истинных температурах в различных точках.

 

12.6. Поверка средств измерений

 

Метрологическая поверка средств измерения осуществляется в соответствии со следующими правилами:

- поверка осуществляется с использованием образцового (эталонного) прибора, класс точности которого в четыре-пять раз выше класса точности поверяемого прибора;

- поверку проводят по всем оцифрованным отметкам испытуемого прибора при прямом и обратном ходе измерения;

- для каждого измерения определяют приведённую погрешность и вариацию;

- из полученных значений вариаций и приведённых погрешностей при прямом и обратном ходе находят максимальное из всех значений и сравнивают его с классом точности прибора, подвергнутого поверке. Если полученное значение меньше класса точности, то прибор пригоден к эксплуатации.

Системой метрологического надзора называют комплекс положений, требований и правил технического, экономического и правового характера, касающихся организации метрологического надзора, метрологической ревизии, метрологической экспертизы.

Задачи, решаемые системой метрологического надзора:

- обеспечение единства и достоверности средств измерения;

- обеспечение постоянной готовности средств измерения;

- помощь совершенствованию измерительной техники;

- повышение эффективности технических и научных работ.

Система метрологического надзора включает в себя метрологические службы субъектов федерации, отраслевые и ведомственные метрологические службы и службы главного метролога на предприятиях. В целом по стране руководящими и нормативными органами являются Комитет метрологического надзора и Госстандарт. Комитету подчинены НИИ Госстандарта.

Контрольные вопросы

 

1. Какие методы применяют для измерения механических колебаний при детерминированных и стохастических процессах.

2. Особенности применения тензорезисторных, пьезоэлектрических, струнных и гидравлических динамометров.

3. Каким образом производят измерения крутящих моментов.

4. Основные способы измерения износа поверхностей деталей машин.

5. Особенности применения пирометров, а также контактных механических и биметаллических термометров для измерения температуры (разности температур).

6. Структура метрологического надзора, ее основные правила и решаемые ею задачи.