Электронный научно-практический журнал «Современная техника и технологии» » устойчивость

Белозубов Е.М., Белозубова Н.Е., Васильев В.А. Повышение устойчивости датчиков к внешним воздействующим факторам

optoopto — Fri, 25 Nov 2011 13:03:33 +0000

Е.М. Белозубов – канд. техн. наук, начальник группы (ОАО “НИИФИ”),

Н.Е. Белозубова – аспирант (ПГУ),

В.А. Васильев, д–р техн. наук, профессор (ПГУ),

Рассматривается проблема повышения устойчивости датчиков к внешним воздействующим факторам. Предложены варианты конструктивно-технологических решений, позволяющих повысить виброустойчивость датчиков давления.

Важнейшими элементами информационно-измерительных и управляющих систем современной ракетной и авиационной техники являются датчики и в частности, датчики давления. Необходимость измерения давлений непосредственно в местах протекания высокоэнергетических процессов ракетных двигателей предъявляет высокие требования к устойчивости датчиков при воздействии высоких уровней виброускорений и широкого диапазона нестационарных температур. Оптимальным сочетанием метрологических, конструктивных, технологических характеристик с наивысшей устойчивостью к воздействию вышеназванных факторов обладают тонкоплёночные тензорезисторные датчики давления (по сравнению с датчиками аналогичного назначения других принципов преобразования) [1–3]. Такие датчики обеспечивают измерения абсолютного большинства параметров давления жидкостных ракетных двигателей. В то же время, совершенствование двигателей предопределяет актуальность дальнейшего повышения устойчивости датчиков к внешним воздействующим факторам.

Критичными к воздействию повышенных виброускорений элементами датчиков давления, как и других датчиков, являются выводные проводники чувствительного элемента, корпус, ввод кабельной перемычки. Повышенные виброускорения приводят к разрушению таких элементов и прекращению функционирования датчиков. Кроме того, особенностью работы датчиков является то, что недостаточная устойчивость критичных к воздействию повышенных виброускорений
элементов приводит к появлению дополнительной температурной погрешности, вызванной влиянием изменения нестационарной температуры, возникающей в результате внутреннего и наружного трения этих элементов. В связи с этим повышение виброустойчивости в определённой мере решает задачу уменьшения температурной погрешности.

Варианты конструктивно-технологических решений датчиков, направленных на повышение виброустойчивости, условно можно классифицировать следующим образом:

– с виброустойчивой заделкой кабельной перемычки;

– с кабельным вводом, расположенным под углом к корпусу;

– с коленчатым корпусом;

– с каналами и квазипланарным размещением выводных проводников.

Датчик давления с виброустойчивой заделкой кабельной перемычки изображен на рис. 1. Датчик состоит из чувствительного элемента 1, накидной гайки 2, цилиндрического корпуса 3 с хвостовиком 4 [4]. На хвостовике при помощи бандажа 5 закреплены экранирующая оплётка 6 и канат 7. Провода 8, экранирующая оплётка и канат помещены в изоляционную трубку 9. Изоляционная трубка закреплена на хвостовике при помощи бандажа 10. Наружная поверхность конца хвостовика 4 выполнена в виде конической поверхности. Вдоль продольной оси хвостовика расположены прорези 11, через которые проведена разделка экранирующей оплётки и каната. Изоляционная трубка дополнительно закреплена на хвостовике при помощи резьбовой втулки 12, навинченной на корпус датчика [4].

Рис. 1. Датчик давления с виброустойчивой заделкой кабельной перемычки

Так как в предлагаемой конструкции изоляционная трубка дополнительно закреплена на хвостовике при помощи втулки, то при воздействии виброускорений прочность места заделки кабельной перемычки больше по сравнению с известной конструкцией. Для осуществления равномерного сжатия изоляционной трубки между поверхностью конца хвостовика о внутреннюю поверхность втулки 13 она также выполнена в виде части конической поверхности с углом при вершине, равным углу при вершине конической поверхности конца хвостовика.

Датчик давления с кабельным вводом, расположенным под углом к корпусу, изображен на рис. 2. Повышение виброустойчивости достигается за счёт оптимального расположения элементов конструкции, уменьшения длины корпуса и приближения места ввода кабельной перемычки к штуцеру изделия. Необходимость уменьшения длины корпуса вызвана тем, что максимальные напряжения в корпусе и месте заделки кабельной перемычки в первом приближении определяются выражением

, (1)

где – коэффициент, зависящий от массы и от распределения масс корпуса;
– момент сопротивления (инерции) поперечного сечения корпуса; – расстояние от места определения напряжений до места закрепления корпуса в изделии (длина консоли); – величина виброускорений.

Рис. 2. Датчик давления с кабельным вводом, расположенном под углом к корпусу

Датчик [5] состоит из чувствительного элемента 1, выполненного из сопрягаемой со штуцером части мембраны, накидной гайки 2, цилиндрического корпуса 3. В корпусе расположена герметичная контактная колодка 4, контакты 5 которой с одной стороны при помощи выводных проводников 6 соединены с контактными площадками чувствительного элемента, а с другой стороны – с проводниками 7 кабельной перемычки. На контактную колодку надета герметизирующая втулка 8, которая с одной стороны по торцу сварена с контактной колодкой, а с другой стороны – с чувствительным элементом. На корпус датчика со стороны, противолежащей чувствительному элементу, навинчена на клее цилиндрическая втулка 9, на боковой поверхности которой сформирован выполненный с ней за одно целое патрубок 10, при помощи которого кабельная перемычка 11 присоединяется к корпусу датчика. Датчик давления установлен на штуцер 12 изделия. Прокладка 13 служит для обеспечения герметичности соединения датчика со штуцером.

Патрубок расположен к корпусу под острым углом a, определяемым из соотношения

, (2)

где D_r – диаметр описанной окружности накидной гайки; D_r_в – внутренний диаметр накидной гайки; D_к – наружный диаметр корпуса; h – расстояние от накидной гайки до места соединения патрубка с втулкой; s – шаг резьбы накидной гайки. Расстояние L от втулки до накидной гайки выбрано из соотношения .

Угол между продольной осью кабельного ввода и продольной осью корпуса выбирается из соображений максимального повышения виброустойчивости с учётом характерных особенностей эксплуатации и демонтажа датчиков в составе ЖРД.

Предлагаемое решение датчика давления с коленчатым корпусом, изображенное на рис. 3, направлено на повышение виброустойчивости датчика давления за счёт увеличения момента сопротивления поперечного сечения корпуса, и уменьшения консоли, образованной корпусом, а также за счёт уменьшения расстояния между кабельной заделкой и местом закрепления корпуса в изделии. Датчик давления [6] состоит из накидной гайки 1, корпуса 2, выполненного в виде коленчатой четырёхсекционной трубчатой конструкции, чувствительного элемента 3 с тензорезисторами и кабельной перемычки 4. Каждая секция 5 – 8 перпендикулярна предыдущей (секция 6 перпендикулярна секции 5 и т.д.). Четвертая секция 8 перпендикулярна продольной оси 9 накидной гайки и направлена в сторону от нее [6].

Для максимального повышения виброустойчивости три секции корпуса находятся на минимальном расстоянии от накидной гайки, обеспечивающей её проворачивание. Для дальнейшего повышения виброустойчивости датчика при эксплуатации возможно его закрепление на изделии за четвертую секцию, например, с помощью хомутика. Известные конструкции датчиков с накидной гайкой не позволяют этого без применения специальных устройств.

Рис. 3. Датчик давления с коленчатым корпусом

Вследствие уменьшения длины консоли L₁ корпуса в 1,5–2,5 раза и увеличения поперечного сечения корпуса в 2 раза (воздействию виброускорений сопротивляются два сечения корпуса датчика) максимальные напряжения в корпусе в соответствии с выражением (1) при воздействии одинаковых виброускорений уменьшатся в 5 раз. Следовательно, во столько же раз повышается виброустойчивость датчика.

Датчик давления с каналами и квазипланарным размещением выводных проводников изображен на рис. 4. Датчик содержит чувствительный элемент 1 в виде жёсткозащемлённой мембраны с опорным основанием 2, на которой сформирован диэлектрический слой 3 с тензосхемой и контактными площадками 4 [7]. Цилиндрическая контактная колодка 5, контакты 6 которой размещены на её периферии, расположена соосно чувствительному элементу. Плоские выводные проводники 7, соединяющие контактные площадки чувствительного элемента и контакты колодки, частично расположены на поверхности чувствительного элемента. Контактная колодка выполнена в виде втулки с фланцем 8, герметично соединена по периферии с крышкой 9 в виде колпачка. Втулка герметично соединена свободным торцом, противоположным фланцу с опорным основанием 2 чувствительного элемента.

На диэлектрике в области торцов контактов выполнены окна 10, размеры которых превышают диаметр контакта, но не превышают диаметр изолятора 11 контакта. Плоские выводные проводники 7 частично расположены на диэлектрике фланца, частично на чувствительном элементе и закреплены на торцах контактов. К опорному основанию жёстко присоединена накидная гайка 12, на одной из граней которой сформирован прилив, в котором выполнены два соединяющихся между собой канала 13 и 14, в которых размещены проводники 15, соединяющие контакты гермоколодки с выходом датчика. Торец накидной гайки закрыт крышкой 16.

Рис. 4. Датчик давления с каналами и квазипланарным размещением выводных проводников

Выполнение датчика давления с каналами и квазипланарным размещением выводных проводников повышает виброустойчивость за счёт увеличения момента сопротивления поперечного сечения, уменьшения длины корпуса и приближения места ввода кабельной перемычки к штуцеру изделия. Проведенный расчёт показывает, что при воздействии виброускорений, направленных перпендикулярно продольной оси, в датчике, выполненном в соответствии с предлагаемым решением, возникают напряжения в несколько раз меньше, чем у известных датчиков давления.

Кроме того, при воздействии виброускорений максимальные суммарные напряжения в выводных проводниках, обусловленные совместным воздействием остаточных деформаций при монтаже и виброускорений в предлагаемом решении уменьшены за счёт исключения остаточных деформаций из-за отсутствия деформации плоских выводных проводников в процессе монтажа. Виброустойчивость выводных проводников повышается также за счёт уменьшения длины выводных проводников и дополнительного ограничения их виброперемещения перпендикулярно поверхности упругого элемента. Повышение виброустойчивости датчика в целом осуществляется за счёт совокупности конструктивных элементов, позволяющих приблизить кабельный ввод непосредственно к месту присоединения датчика на изделии.

Рассмотренные решения могут быть применены в датчиках давления, построенных на различных принципах преобразования.

Работа выполнена в Пензенском государственном университете и ОАО «НИИФИ».

E-mail: opto@bk.ru

Список литературы

Мокров Е.А. Интегральные датчики. Состояние разработок и производство. Направления развития, объёмы рынка // Датчики и системы, 2000. – №1..
Васильев В.А. Технологические особенности твёрдотельных мембранных чувствительных элементов // Вестник Московского государственного технического университета. Сер. Приборостроение. – М., 2002.– №4..
Белозубов Е.М., Белозубова Н.Е., Васильев В.А. Уменьшение влияния термоэлектрических явлений в МЭМС-структурах на выходной сигнал тонкоплёночных тензорезисторных датчиков давления // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. – М., 2008. – №1.
Белозубов Е.М., Патент РФ № 2028589. Датчик давления. Опубл. 09.02.95. Бюл. № 4.
Белозубов Е.М., Демченко О.И. Бещеков В.Г, Патент РФ № 2041453, 6G01L 19/06. Датчик давления. Заявка № 3131650 от 06.01.86. Опубл. 09.08.95. Бюл. № 22.
Белозубов Е.М., О.Б.Новосельцева, Патент РФ № 2040782, 6 G 01L 19/06. Датчик давления. Опубл. 27.07.95. Бюл. № 21.
Белозубов Е.М., Патент РФ № 2032156. Датчик давления и способ его изготовления. Опубл. 27.03.95.

Оценка устойчивости неконсервативных стержневых систем методом сеточной аппроксимации элементов в динамической постановке

Шеин Александр Иванович — Wed, 26 Nov 2014 15:04:11 +0000

В задах сейсмики сооружений [1,2,3,4,5], ветровых колебаний [6,7], или в физически нелинейных задачах при учете истории нагружения [8, 9,10] необходимо отслеживать состояние системы с оценкой устойчивости.
Строительные конструкции из железобетона или из стали, работающей в упруго-пластической стадии, являются нелинейными и неконсервативными механическими системами. Нагрузки на эти конструкции часто не описываются однопараметрическим способом. Поэтому бифуркационная модель исследования устойчивости не всегда может с достаточной точностью оценивать характер равновесия таких механических систем. Наиболее точно произвести оценку состояния и устойчивости здесь позволяет динамический подход, в том случае если с удовлетворительной полнотой воспроизвести инерционные и демпфирующие свойства системы.
Для оценки устойчивости указанных сооружений целесообразно исследовать их отклики на приращение векторов кинематических параметров данного равновесного состояния элементов. Предпочтение кинематического возмущения перед силовым обусловливается двумя основными причинами: во-первых, природа потери устойчивости второго рода связана с развитием ранее достигнутых деформаций; во-вторых, перебрать все возможные направления силовых возмущений практически нельзя из-за их многообразия. Для ответа на вопрос: «Устойчива ли данная система по отношению к кинематическому возмущению?» – необходимо выполнить следующие операции:1) дать кинематическое возмущение (приращения к перемещениям) данному равновесному состоянию;
2) исследовать движение системы в течение определённого промежутка времени. Этот промежуток времени является периодом предельно низкой допустимой частоты колебаний данной механической системы;Если система, в течение указанного времени, совершила колебательное движение – она устойчива. В противном случае система неустойчива.
Другими словами здесь оценивается наличие и достаточность обобщённой восстанавливающей силы (для непередемпфированных систем).
Данное исследование удобно строится на основе метода сеточной аппроксимации элементов в динамической постановке.
Пусть заданное исходное состояние элемента конструкции описывается векторной функцией:
, (1)
где
₍₂₎
n – мерные вектора продольного и двух поперечных перемещений точек продольной оси и угла поворота сечения стержня вокруг этой оси.
Если не выделять приоритетно какие-либо перемещения, то возмущённая векторная функция (1) может быть записана в виде:

, (3)

где k – коэффициент (модуль) возмущения, k>1.
При назначении коэффициента возмущения нет определённых критериев, однако, при исследовании устойчивости данного положения равновесия целесообразно брать его достаточно близким к единице.
При использовании гипотезы плоских сечений продольные деформации в точках сечения элемента в данном равновесном состоянии определяются зависимостью:
_, (4)
представленной в конечно-разностном виде, а деформации возмущённого состояния равенством
. (5)
В динамическом расчёте кинематически возмущённое состояние является начальным условием движения.
Уравнения движения элемента системы из возмущённого состояния имеют вид:

(6)

Для решения задачи используются или двойная конечно-разностная аппроксимация функций перемещений и их производных по геометрической и временной координатам, или метод линейного ускорения. Таким способом делается переход от интегро-дифференциальных уравнений к интегральным. При помощи дополнительных сеток, наложенных на поперечные сечения и боковые грани участка стержня, задача сводится к решению алгебраической системы уравнений.
В начальный момент времени

, (7)
, (8)
(9)

Производя движение по временной координате от до , определяем характер движения. Характер движения из возмущённого положения даёт возможность классифицировать исходное состояние равновесия с точки зрения его устойчивости.

Анализ устойчивости навесного погрузочного манипулятора

Удовкин Александр Иванович — Tue, 08 Dec 2015 14:47:37 +0000

Известны два типа навесных погрузочных манипуляторов.
Наиболее распространен механизм (рис. 1.), который представляет собой два силовых гидроцилиндра, соединенных между собой и с грузоподьемной стрелой. Работает механизм за счет изменения длины гидроцилиндров. Соотношения длины звеньев такого механизма определяет его рабочую зону, в которой он работает устойчиво. Зоной устойчивости следует считать такую область пространства, перемещение груза в которую и возвращение его в исходное положение, возможно.
Известно /1/, что стержневая система становится геометрически изменяемой, если все стержни будут находиться в одной плоскости. Однако ещё до наступления геометрической изменяемости усилия в звеньях от действия силы веса перемещаемого груза могут достигать таких значений, при которых становится не возможным возвращение системы в первоначальное положение ввиду ограниченных возможностей гидравлической схемы. Более того, при развороте стрелы по горизонту возникает положение, при котором усилие в одном из гидроцилиндров меняет знак. Смена знака усилия приводит к тому, что система становится неуправляемой. Следовательно, именно это положение механизма следует считать граничным с точки зрения сохранения устойчивой работы.
Выберем систему координат следующим образом (рис.1.): плоскость zox проведём вертикально через точки М₁ и М₂; плоскость zoу – вертикально через точку М₁и начало координат.
Положение точки М₂ определяется длинами звеньев r₁ , r₂ ,r₃ , которые можно выразить в аналитической форме в виде следующих зависимостей /2/:

(1.1)

где координаты точек М_i..

Очевидно, что предельно возможное положение механизма, при котором усилия в гидроцилиндрах сохраняются по направлению, будет в том случае, когда М₂ попадает в вертикальную плоскость, проходящую через М₁и М₃. Поскольку точка М₃ находится на оси ох, а точка М₁ в плоскости zoy,

то:

;

Вертикальная плоскость Р₁, проходящая через точки М₁ и М₂ будет изменять своё положение в зависимости от положения точки М₂. Так как эта плоскость параллельна оси oz, то её уравнение при условии бесконечно малого приращения координаты имеет вид:
А₁х+В₁у+Д₁=0 (1.2.)

Рис. 1 – Схема к анализу исполнительного механизма в виде трехгранной пирамиды.

Для точек М₁и М₂ можно записать:

(1.3)

Определим значение коэффициентов из (1.3.), тогда уравнение плоскости Р₁ с учётом координат точек М₁ и М₂ примет вид:

(1.4.)

Рассуждая аналогично, и учитывая, что , получим уравнение плоскости Р₂ с учётом координат точек М₁ и М₂:

(1.5)

Двугранный угол между плоскостями Р₁ и Р₂ , есть предельно возможный угол поворота механизма, при котором обеспечивается его устойчивая работа. Этот угол определится по выражению:

(1.6)

Учитывая уравнения (1.4) и (1.5) и принимая во внимание, что С₁=С₂=0, получим:

(1.7)

Анализ выражения (1.7) показывает, что при y₁ 0, Cos 0, а 1,57 рад, причём наличие в выражении (1.8) линейного члена у₁ говорит о том, что возможно получение отрицательного значения Cos, а значит угол может превышать значение 1,57 рад.
На рис. 2 представлена зависимость допустимого угла поворота стрелы, по условию устойчивой работы механизма, от расстояния между нижними опорами гидроцилиндров , и взаимного расположения точки крепления стрелы М₁ и нижних опор гидроцилиндров М₃и М₄. Можно отметить, что угол может превышать значение 1,57 рад. и асимптотически стремиться к 3,14 рад., причём, если до значения 1,57 рад., большее значение угла достигается при большем значении , то при 1,57 рад. картина изменяется и большее значение угла соответствует меньшему значению .

Рис. 2 – Зависимость допустимого угла поворота стрелы от параметров исполнительного механизма.

Таким образом, если заданы значения угла поворота и соответствующие длины звеньев, то основными параметрами, определяющими устойчивость трёхгранной пирамиды будет положение точки М₁ в плоскости zoy и расстояние между нижними опорами гидроцилиндров (точки М₃ и М ₄). Определить положения этих точек можно решив систему уравнений, образованную из выражений (1.1) и (1.7):

(1.8)

На основании проведённых исследований устойчивости трёхгранной пирамиды были предложены технические решения на уровне изобретения/3,4/, обеспечивающие безопасность работы при значительном расширение рабочей зоны.