ВКР Разработка ступенчатой технологии развески локомотивов (1231168), страница 6

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 6)

подвижного состава на рельс. Благодаря узкой специализации достигается снижение общей себестоимости устройства и упрощается конструкция.

Необходимо спроектировать устройство для измерения нагрузки от колес подвижного состава на рельс, которое должно:

1. Иметь погрешность измерения нагрузки в диапазоне скоростей движения до 15 км/ч не более 1%;

2. Иметь возможность измерения нагрузки на более высоких скоростях движения без гарантированной точности;

3. Иметь универсальный внешний интерфейс, с возможностью подключения к любому типу силоизмерительных датчиков и любым типам ЭВМ;

4. Быть выполнено преимущественно или полностью на отечественной элементной базе;

5. Быть простым в использовании, обслуживании и эксплуатации;

6. Иметь возможность работать вблизи источников электрических помех (контактная сеть, электромашины).

В заключении можно отметить еще одно важное технологическое решение, позволяющее в значительной степени снизить погрешность, измерений. Это применение диапазонов или масштабов измерения. Если внимательно рассмотреть процесс измерения нагрузок, то можно заметить, что часть" общего диапазона (шкалы прибора) является "мертвой зоной". Эта "мертвая зона" включает в себя обязательные для железнодорожного транспорта вес самого вагона (тару), либо массу неэкипированного локомотива. Так как полезная нагрузка товарного полувагона достигает 71 тонны, а максимальный вес вагона 90 тонн и коэффициент загрузки не менее 0.25 или 16 тонн, то общий постоянный вес вагона будет равен 41 тонну или 5,5 тонн на колесо вагона. Примем нагрузку на колесо с учетом погрешности и конструкции вагонов 4,5 тонн и рассчитаем увеличение точности измерения дня вагонов. Так же и для локомотивов колесная нагрузка в большинстве их

типов не превышает 11.25 тонны в полностью экипированном состоянии. Примем минимальную нагрузку на колесо локомотива 9 тонн, а максимальную 12,5 тонн и произведем расчет так же, как и для вагонов. Схематично диапазоны измерения и их изменение представлены на рисунке 4.9.

а)	-19,5т		0	4,5т		19,5т
б)	-9т	-4,5т	0			8т
в)	-19,5т		0		9т	19,5т
г)	-9т*					Зт
д)	-19В					+19В

Рисунок 4.9 - Схема изменения диапазонов измерения

На рисунке 4.9(д) показан диапазон допустимых входных напряжений аналогово-цифровых преобразователей, который так же совпадает с диапазоном максимальных выходных напряжений измерительного усилителя.

Здесь следует прокомментировать необходимость как можно полнее использовать полезный диапазон измерений преобразователя. Так как цифровые измерения всегда имеют дискретный характер, то в конечном итоге погрешность измерения составит 0,5 цены деления прибора. Число делений, это максимально возможное число дискретных уровней напряжения, которое может быть представлено для сравнения с измеряемым сигналом.

Таким образом, сопоставляя полученный уровень напряжения, пропорциональный цифровому коду, измеряемому напряжению, можно "приблизительно" судить о значении этого напряжения с точностью -0,5...+0,5 цены деления.

Поэтому, чем полнее будет выделен рабочий диапазон, тем точнее измерение. Произведем расчет цены деления прибора с учетом и без учета перераспределения диапазонов измерения и в конечном итоге сравним полученные погрешности измерения

Цена деления рассчитывается по формуле:

(4.15)

где - максимальная нагрузка на полезную длину шкалы;

=2¹⁰=1024 – число делений прибора.

Цена деления при измерении нагрузки с одного колеса вагона без изменения диапазона (рис.4.9(а)):

(4.16)

Цена деления при измерении нагрузки с одного колеса вагона с изменением диапазона (рис.4.9(б)):

(4.17)

Увеличение точности измерения:

(4.18)

Увеличение точности диапазона измерения прибора для диапазонов предусмотренных для вагонов:

Так как при проведении коммерческих измерений необходимо иметь удобное значение цены деления (например 10кг) то шкалу искусственно загрубляют. То есть значение нагрузки округляется в меньшую сторону до ближайшего корректного показания прибора. И в этом случае необходимо иметь истинную цену деления меньше, чем цена деления представления.

В нашем случае истинная цена деления 7,8 кг, а цена деления представления 10 кг. Для локомотивов это не так важно, так как оно не имеет коммерческой цен-

ности. При измерении нагрузки от колес локомотива истинное значение нагрузки

необходимо знать только комплексу автоматизированной системы измерения (АСИ), а конечным результатом работы является выдача рекомендаций по выравниванию осевой и колесной нагрузки в ремонтном производстве.

Цена деления при измерении нагрузки с одного колеса локомотива без изменения диапазона (рис 4.9(в)):

Цена деления при измерении нагрузки с одного колеса вагона при изменении диапазона (рис 4.9(г)):

Увеличение точности измерения при изменении диапазона измерения для локомотивов:

Из выше представленного расчета видно, что увеличение точности измерения составляет значительные величины, и учитывая тот факт, что каких либо существенных изменений в конструкции прибора не производилось. Ещё

необходимо учесть для масштабирования диапазонов — это подача напряжения смещения на вход измерительного усилителя и ступенчатое изменение коэффициента усиления, а в случае если прибор работает только в депо, никаких изменений, кроме подачи постоянного напряжения смещения, производить не нужно. Упрощенная схема изменения конструкции усилителя представлена на рисунке 4.10

Рисунок 4.10 – Схема модернизации измерительного усилителя

Изменения касаются только выходного каскада усилителя. В схему вводятся переключатель П (механический или электронный), который осуществляет управление переключением диапазонов, подключая разные резисторы обратной связи и источник напряжения смещения.

4.3 Расчет тензорезисторных датчиков

4.3.1Типы тензодатчиков

Тензорезисторный преобразователь (тензорезистор) представляет собой про­водник, изменяющий своё сопротивление при деформации сжатия-растяжения. При деформации проводника

изменяются его длина  и площадь поперечного сечения Q . Деформация кристаллической решётки приводит к изменению удельного сопротивления , что приводят к изменению сопротив­ления проводника R =  / Q.

Этим свойством обладают в большей или меньшей степени все проводники.

В настоящее время находят применение проводниковые ( фольговые , проволочные и пленочные) и полупроводниковые тензорезисторы. Хорошим материалом для проводниковых тензорезисторов, используемых при температурах ниже 180° С, является константант. Зависимосгь сопротивления R от относительной деформации  с достаточной точностью описывается линейным двучленом :

R=R_o(l+S_t) , (4.23)

где R_o-сопротивление тензорезистора без деформации; S_t – тензочувствительность материала.

Тензочувствительность константана лежит в пределах 2,0-2,1. Нелинейность функции преобразования не превышает 1%.

Фольговые тензорезисторы представляют собой тонкую лаковую пленку, на которую нанесена фольговая тензочувствительная решетка из константана толщиной 4-12 мкм (рисунок 4.1)

Решетка сверху покрыта лаком. Фольговые тензорезисторы практически не чувствительны к поперечной деформации вследствие малого со¬противления перемычек, соединяющих тензочувствительные элементы.

Проволочный тензорезистор имеет аналогичное устройство, его решетка выполнена из константановой проволоки толщиной 20-50 мкм. По метрологическим и эксплуатационным характеристикам проволочные тензорезисторы уступают фольговым.

Проволочные и фольговые тензорезисторы обычно имеют длину 5-20 мм, ширину 3-10 мм. Их номинальное сопротивление равно 50, 100, 200, 400 и 800 Ом. Параметры тензорезисторов общего назначения регламентирует ГОСТ-21616-91.

Полупроводниковые тензорезисторы представляют собой пластинку монокристалла кремния или германия длиной 5-10 мм, шириной 0,2-0,8 мм. К ее торцам приварены металлические выводы. Номинальное сопротивление датчиков лежит в пределах 50-800 Ом. Свойства полупроводниковых и металлических преобразователей сильно различаются. Чувствительность полупроводниковых пре-

образователей может быть как положительной, так и отрицательной и лежит в пределах S_t = 55-130. Как сопротивление, так и чувствительность сильно зависят от температуры. Недостатком является также большой разброс их параметров и

характеристик.

4.3.2 Основные параметры тензорезисторов

Метрологические характеристики тензоре¬зисторов и формы их представления и обозначения устанавливает ГОСТ-21616-91. Для конкретных типов тензорезисторов набор нормируемых характеристик составляется из ряда в зависимости от назначения тензорезисторов, определяемого в соответствии с ГОСТ 21615-76.

Важнейшие характеристики тензорезисторов этого ряда следующие [21].

А) Функция преобразования устанавливает зависимость

информативной составляющей выходного сигнала тензорезистора от информативной составляющей входного сигнала (деформации). Выходной сигнал тензорезистора представляет собой отношение приращения сопротивления тензорезистора к его начальному значению:

=R/Rн. (4.24)

Выходной сигнал тензорезистора  является безразмерной относительной величиной. Для единообразия  в документации выражают в миллионных долях (млн^-1) или же в процентах (%). Функция преобразования выражена полиномом

 =A₁+A₂²+...+A^г, (4.25)

где А,.. .А,—коэффициенты полинома; - деформация (млн^-1).

б) В диапазоне упругих деформаций функция преобразования для всех типов тензорезисторов практически линейна, поэтому она может быть заменена од­ним числом - чувствительностью К , которая определяется при нормальной температуре и деформации:

=1000 млн^-1. (4.26)

Чувствительность, как и ряд других характеристик, может быть определена только по выборке тензорезисторов, установленных на градуировочном при­способлении. Испытанные тензорезисторы не могут быть использова­ны вторично.

Чувствительность нормируется средним значением для партии (К_ср) и допустимым значением среднего квадратического отклонения (СКО) чувствительности S_{к .}На практике чувствительность определяется по значениям задаваемых де­формаций и соответствующим им сопротивлениям по формуле:

K=[(R-R_o)/R_o]/  (4.27)

в) В рабочем диапазоне температур чувствительность тензорезисторов может изменяться. Это изменение характеризуется функцией влияния температуры на чувствительность

Ф(t)=K(t)/K(t_o) , (4.28)

где K(t)-чувствительность при температуре t; K(t_o)-чувствительность при нор­мальной температуре; Ф(t) - функпия влияния температуры на чувствитель­носrь. Для известных типов тензорезисторов - это монотонная функция темпе­ратуры:

Ф(t)=B_o+B_lt+B₂t²+...+B_rt^r, (4.29)

где B_o - B_r -коэффициенты.

Функция влияния температуры на чувствительность может также нормироваться значением Ф_ср при максимальной температуре и её средней квадратичной погрешностью S_ф.

Характеристики

Список файлов ВКР