Преобразователи линейных перемещений в рессорном подвешивании вагонов

Размещено на http://www.allbest.ru/

ФГБОУ ВПО «Госуниверситет - УНПК»

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

к курсовой работе по дисциплине «Физические основы получения информации»

Тема курсовой работы: Преобразователи линейных перемещений в рессорном подвешивании вагонов

Проект выполнил студент: Прохоров Р.И.

Орёл, 2011



Аннотация

Целью данного курсового проекта являлось проектирование преобразователя линейных перемещений буксы. Решение задачи производилось по следующей схеме:

· обзор аналогов данного преобразователя;

· выбор конкретного типа преобразователя;

· расчет параметров преобразователя.

Рассмотрение различных типов преобразователей данной величины вёлся по книжным, журнальным источникам, включая использование патентов и интернета. В результате было рассмотрено несколько принципов действия и построения преобразователей, решающих поставленную задачу. В итоге был выбран конкретный тип преобразователя для проектирования. Далее, на него было составлено техническое задание и произведен расчет для выявления его рабочих параметров и погрешностей. В заключении отражены выводы о проделанной работе.

Цель курсового проекта была достигнута, разработан преобразователь линейных перемещений буксы, удовлетворяющий заданным требованиям и параметрам.



Содержание

преобразователь букса вагон рессора

Введение

1. К вопросу о понятии измеряемого объекта

2. Обзор аналогов и прототипов

2.1 Реостатные преобразователи

2.2 Индуктивные преобразователи

2.3 Емкостные преобразователи

2.4 Механотроны

2.5 Тензочувствительные преобразователи

3. Выбор преобразователя

4. Техническое задание

4.1 Назначение и область применения

4.2 Основные требования к преобразователю

5. Конструкторский раздел

5.1 Принцип действия преобразователя

5.2 Расчет основных характеристик преобразователя

Заключение

Список использованных источников



Введение

В современной промышленности при производстве продукции очень большое внимание уделяется её качеству и безопасности использования конечным потребителем. В сложных изделиях, например в железнодорожных вагонах, количество внешних и внутренних факторов влияющих на безопасность столь велико, что учесть их все невозможно без применения различных технических средств. Особенную роль здесь играют различные преобразователи и датчики. Измерительный преобразователь как средство измерений является преобразователем входного измерительного сигнала в выходной сигнал, более удобный для дальнейшего преобразования, передачи, обработки вычислительными устройствами или хранения, но не пригодным для непосредственного восприятия наблюдателем (это задача измерительного прибора, в состав которого может входить один или несколько преобразователей).[17] На сегодняшний день количество видов и конструкций датчиков колоссально. Интересующие нас преобразователи линейных перемещений так же довольно разнообразны, и нет проблемы подобрать подходящий.

Тема данного курсового проекта - преобразователи линейных перемещений, а именно линейных перемещений в рессорном подвешивании вагона. То есть, разрабатываемый преобразователь имеет довольно узкую сферу применения, что, однако, не умаляет его важности. Регистрация и контроль избыточных перемещений буксы в рессорах вагонов помогают предпринять меры по предотвращению поломок и избежать развития процессов разрушения узлов, тем самым способствуя повышения срока службы, а возможно и предотвращению серьёзных аварий, результат которых, как известно, может стать довольно печальным.

Для достижения поставленной цели было рассмотрено множество различных преобразователей с различным принципом действия и выбран один, для дальнейших расчетов и проектирования.

1. К вопросу о понятии измеряемого объекта

Данная курсовая работа посвящена очень серьёзной и актуальной проблеме: линейные перемещения. Под перемещением объектов подразумевается их передвижение из одного положения в другое, находящееся от первого на определённом расстоянии или под определённым углом. Определение положения физических объектов и их перемещений является важной функцией многих автоматизированных систем. Она необходима в системах управления транспортными потоками, в охранных системах, без неё не может обойтись ни один станок или робот. Большинство датчиков перемещений являются статическими устройствами, быстродействие которых, как правило, не сказывается на рабочих характеристиках систем.

Итак, данная работа посвящена линейным перемещениям и в качестве объекта её исследования предлагается рассмотреть железнодорожные вагоны, а именно - рессорное подвешивание этих вагонов. Рессора, по определению, это упругий элемент подвески транспортной машины (в данном случае вагона), передающий нагрузку кузова на ходовые тележки, колёса, гусеницы, лыжи, полозья и т.п. и смягчающий толчки и удары при прохождении по неровностям пути. Основные виды рессор: пружинные, листовые и торсионные. В ходовых частях современных вагонов наибольшее распространение получили пружинные рессоры с витыми цилиндрическими пружинами, которые по сравнению с применяемыми ранее листовыми рессорами позволяют получать необходимые упругие характеристики при меньших массах и габаритных размерах, а в сочетании с гасителями колебаний, обеспечивать более спокойный ход вагона. В силу своих преимуществ пружинные рессоры почти вытеснили широко применяемые ранее листовые.[19 - 21]

Из большого количества типов и видов железнодорожных вагонов для исследования выбираем пассажирские, т.к. плацкартные пассажирские вагоны - это наиболее распространенный вид транспорта для переездов на дальние расстояния в нашей стране. Кроме того, выбор пассажирских вагонов обусловлен тем, что в них необходимо не только соблюдение надежности рессорного подвешивания, но и очень важен комфорт пассажиров.

Как уже отмечалось ранее, рессора - это упругий элемент, т.е. элемент, испытывающий упругие деформации. Тогда вполне закономерен вопрос: при чём здесь линейные перемещения? Ответ состоит в том, что рессорное подвешивание поездов - сложная и многоступенчатая конструкция, содержащая в себе множество элементов. В частности буксу (рис. 1).

Рисунок 1 Корпус буксы пассажирского вагона

Букса - важнейший элемент ходовой части вагона. На рисунке 1 показана конструкция буксы пассажирского вагона. Главной её особенностью и, одновременно, отличием от букс грузовых вагонов, является то, что она в нижней части с обеих сторон имеет кронштейны с отверстиями для шпинтонов. На кронштейны опираются пружины буксового подвешивания, а на них -- рама тележки. Буксы воспринимают и передают колесным парам силы тяжести груженого кузова, а также динамические нагрузки, возникающие при движении вагона. Буксы предохраняют шейки оси от загрязнения и повреждения, являясь резервуаром для смазки и местом размещения подшипников, они ограничивают продольные и поперечные перемещения колесных пар относительно рамы тележки (рис. 2).[20]

Итак, букса - это элемент рессорного подвешивания, испытывающий при движении, в том числе, вертикальные линейные перемещения. Эти перемещения и станут объектом нашего исследования.

Рисунок 2 центральное люлечное подвешивание пассажирских вагонов

В связи с этим необходимо привести схемы рессорного подвешивания вагонов, которая для грузовых и пассажирских составов различна. В частности, в тележках пассажирских вагонов, которые предлагается исследовать, широко распространено двухступенчатое подвешивание, которое бывает буксовым и центральным (рис. 3).[21]

Рисунок 3 Схемы подрессорного подвешивания

На рисунке 3 наглядно показано, что букса (1) (рис. 1, а) при деформациях упругого элемента (пружины) будет испытывать вертикальные линейные перемещения, значения которых, в случае превышения допустимых, могут серьёзно повлиять на дальнейшую работоспособность конструкции, а так же и на комфорт пассажиров, которые будут испытывать при этом ощутимые толчки или тряску.

Таким образом, актуальность измерения и контроля линейных перемещений буксы в конструкциях рессор вагонов представляется несомненной. Более того, в современных вагонах использование электроники только возрастает. К этому относятся регулирование уровня, системы наклона вагона, изменяющиеся приспособления уровня (например, выравнивание при износе колёс или проседании), система информации и диагностики характеристик транспортного средства. Да и в тех же буксах имеется несквозное отверстие с резьбой М16х1,5 мм, служащее для крепления термодатчика контроля состояния буксы при движении вагона.

Факторы, провоцирующие упругие деформации рессор вагона, а, соответственно, линейные перемещения буксы, могут быть различными. Поезд фактически движется не по ровным и гладким рельсам, какими они кажутся на вид, а по рельсам, имеющим неровности. Такие же неровности есть и на поверхности катания колес. По мере износа (в период эксплуатации локомотива, между обточками колесных пар) эти поверхности становятся неточными окружностями. При наезде колеса на неровности рельсов, и особенно на стыки, возникают удары, и тем сильнее, чем выше скорость. Сила ударов, напоминающих удары молота по наковальне, при скорости 100--120 км/ч достигает нескольких сотен килоньютонов (десятков тонно-сил). Кроме того, загруженность вагона пассажирами или грузом также существенно влияет на работу рессор.

Условия эксплуатации поездов в нашей стране довольно суровы. Это и суровые зимние холода, и летний палящий зной. Поэтому предполагаемый разрабатываемый преобразователь должен обладать высокой надёжностью, высокой устойчивостью к внешним воздействиям и вибрациям. Кроме того, как уже было отмечено, когда колесная пара проходит какую-либо неровность пути (стыки, крестовины и т.п.), возникают динамические нагрузки, в том числе ударные. Так же следует учитывать и движение поезда по кривой, которое вызывает действие центробежной силы. Вследствие этого ход поезда на закруглениях не должен превышать определённой скорости, иначе поезд рискует быть опрокинутым в направлении действия центробежной силы. Для того чтобы хоть отчасти нейтрализовать её действие, наружный рельс на закруглении всегда прокладывается несколько выше, чем внутренний, что вызывает неравномерную работу упругих элементов подвески.[20] Будущий преобразователь должен быть хорошо защищён от внешних воздействий, таких как грязь, снег, вода и прочих. Ощутимо влияет на работу любого преобразователя и температура окружающей среды, которая в течение всего года (учитывая, что большинство железно-дорожных путей в нашей стране проложено в зонах с умеренным климатом) может меняться в диапазоне примерно от -30 до +30. Наряду с температурой учитываем так же атмосферное давление, влажность воздуха и прочие факторы внешней среды.

Итак, в соответствии с ГОСТ 15150-69* устанавливаем климатическое исполнение для будущего преобразователя УХЛ2. Данное исполнение охватывает довольно широкий климатический диапазон (макроклиматические районы с умеренным и холодным климатом). К данным районам относят такие, где средняя из ежегодных абсолютных максимумов температура воздуха равна или ниже плюс 40°С, а средняя из ежегодных абсолютных минимумов температура воздуха равна или выше минус 45°С. Среднегодовое значение относительной влажности воздуха в таких районах составляет 75 % при 15°С. Цифра 2 в обозначении исполнения указывают на то, что преобразователь предполагается эксплуатировать в объеме (или оболочке), где колебания температуры и влажности воздуха несущественно отличаются от колебаний на открытом воздухе, и имеется сравнительно свободный доступ наружного воздуха. В силу этих же обстоятельств не учитываем интенсивность дождя и скорость ветра. Рекомендовано использование пыленепроницаемой оболочки.



2. Обзор аналогов и прототипов

Рассмотреть все известные сегодня датчики линейных перемещений, представляется невозможным ввиду их огромного разнообразия. Поэтому рассмотрим основные типы преобразователей, наиболее часто применяемых и подходящих для измерения нашей величины.

2.1 Реостатные преобразователи

Реостатные преобразователи являются подвидом резистивных преобразователей (преобразующих измеряемую величину в омическое сопротивление). Такие преобразователи требуют дополнительного источника питания, т.е. являются параметрическими.

Реостатным преобразователем называют реостат, движок которого перемещается под воздействием измеряемой неэлектрической величины. Входная величина реостатного преобразователя - угловое или линейное перемещение движка, к которому должна быть сведена измеряемая величина. Выходной величиной является активное сопротивление, распределённое линейно или по угловому закону движения этого движка.[2]

Рисунок 4 Устройство реостатного преобразователя угловых перемещений

На корпус 1 из изоляционного материала намотана с равномерным шагом проволока 2. Изоляция проволоки на верхней грани каркаса зачищается, и по металлу перемещается щетка 3. Добавочная щётка 6 скользит по токосъёмному кольцу 5. Обе щётки изолированы от приводного валика 4.

Рисунок 5 Реостатные преобразователи для линейных (а) и для функционального преобразования линейных перемещений (б)

В качестве материала обмотки для реостатных преобразователей применяют сплав платины с иридием (5…30%), константан, нихром или фехраль. В ответственных случаях используют платиновую проволоку (90% Pt +10% Ir). Диаметр проволоки равен 0,03 мм. Это позволяет изготавливать малогабаритные высокоомные преобразователи (весом 10-12 г при размерах 1х2 см). Для изготовления каркасов применяются диэлектрики (гетинакс, пластмасса, керамика) и металлы (дюралюминий с анодированной поверхностью). Щётка преобразователя выполняется либо из проволок, либо из плоских пружинящих полосок, причём используются как чистые металлы (платина, серебро), так и сплавы (платина с иридием, фосфористая бронза, медно-серебряные сплавы и т.д.).[6] Качество контакта щётки и обмотки определяется контактным давлением, которое выбирается в широких пределах от десятых долей грамма до сотен граммов в зависимости от материалов контакта и обмотки и условий работы преобразователя. Габариты преобразователя определяются значением измеряемого перемещения, сопротивлением обмотки и мощностью, выделяемой в обмотке.

Для получения нелинейной функции преобразования применяются функциональные реостатные преобразователи. Нужный характер функции преобразования очень часто достигается профилированием каркаса преобразователя (рис. 5, б).

Погрешность реостатных преобразователей зависит от числа витков W:

(1)

т.е. с увеличением числа витков () погрешность уменьшается.

Число витков выбирают равным 100200.

Существует так же погрешность преобразования, которая в реостатных преобразователях обусловлена тем, что зависимость изменения сопротивления от перемещения щетки имеет ступенчатый характер, так как сопротивление изменяется скачками на значение сопротивления одного витка. Максимальная приведённая погрешность при этом:

(2)

где: - максимальное сопротивление одного витка; R - полное сопротивление преобразователя.

Иногда применяются реохордные преобразователи, в которых щётка скользит вдоль оси проволоки. В этих преобразователях отсутствует указанная выше погрешность.

К достоинствам реостатных преобразователей относятся возможность получения высокой точности, значительных по уровню выходных сигналов и относительная простота конструкции. Недостатки - наличие скользящего контакта, необходимость относительно больших перемещений движка, а иногда и значительного усилия для его перемещения.

2.2 Индуктивные преобразователи

Индуктивный преобразователь представляет собой катушку индуктивности (дроссель), полное сопротивление которой изменяется при взаимном относительном перемещении элементов магнитопровода. Такие преобразователи так же являются параметрическими.

Рисунок 5 Типы индуктивных преобразователей

На рисунке 5, а изображен наиболее распространённый преобразователь с малым воздушным зазором , который изменяется под действием измеряемой величины Р. Рабочее перемещение в преобразователях с переменным зазором составляет 0,01-10 мм. В этих преобразователях могут быть использованы ферритовые элементы 2 (рис 5, б), выпускаемые промышленностью; для изготовления подвижного сердечника 1 используется основание такого же элемента 2, стенки которого сошлифовываются. На рис. 5, в изображен преобразователь с разомкнутой магнитной цепью. Он представляет собой катушку 1, внутри которой помещён стальной сердечник 2. Перемещение сердечника вызывает изменение индуктивности катушки. Этот тип преобразователя применяется для измерения значительных перемещений сердечника (10…100 мм). Одно из основных достоинств индуктивных преобразователей - возможность получения большой мощности преобразователя (до 1…5 В*А), что позволяет пользоваться сравнительно малочувствительным указателем на выходе измерительной цепи и регистрировать измеряемую переменную величину самописцем или вибратором осциллографа без предварительного усиления.[3]

Существенно уменьшить погрешности и увеличить линейный участок характеристики позволяет применение дифференциальных преобразователей. Поэтому в практике индуктивные преобразователи всегда выполняются дифференциальными. На рисунке 6 показана схематическая конструкция преобразователя для измерения больших перемещений.

Рисунок 6 Схематическая конструкция преобразователя

В преобразователе происходит перемещение сердечника 1 и при перемещении в направлении стрелки - увеличение сопротивления .

Наиболее распространённой измерительной цепью индуктивных преобразователей является неравновесный измерительный мост, в два плеча которого включены две половины дифференциального преобразователя. Оптимальным является включение преобразователей параллельно источнику и питание моста от источника напряжения. Уравновешивание моста в начальном положении (при отсутствии входной величины), производится по двум составляющим - изменением сопротивления нерабочего плеча и изменением сопротивления включаемого в плечо, имеющее меньшее активное сопротивление. Если при цепь была уравновешена, то при через указатель потечёт ток, равный , где -приращение электрической проводимости преобразователя.

Ток сдвинут по фазе относительно напряжения питания. Угол сдвига , если , и при ; при согласовании сопротивления указателя с выходным сопротивлением моста . Это обстоятельство необходимо учитывать при наличии в измерительной цепи фазочувствительных устройств.[6-9]

По сравнению с другими преобразователями перемещения индуктивные преобразователи отличаются значительными по мощности выходными сигналами, простотой и надёжностью в работе.

Недостатком их является наличие обратного воздействия преобразователя на измеряемый объект (воздействие электромагнита на якорь) и влияние инерции якоря на частотную характеристику прибора.

2.3 Емкостные преобразователи

Для контроля перемещений очень часто используются емкостные преобразователи. Принцип действия емкостных преобразователей основан на взаимодействии двух заряженных тел (электродов), образующих конденсатор, значение емкости которого изменяется под действием входной преобразуемой величины.

Емкость С между двумя параллельными проводящими плоскостями площадью S, разделёнными малым зазором без учёта краевого эффекта определяется выражением:

(3)

где: ;

Изменение емкости посредством механических воздействий можно производить путём изменения: зазора , площади S, материала диэлектрика , а так же изменением за счёт механических деформаций диэлектрика.

Для получения большей точности используют дифференциальные датчики. Емкостные дифференциальные датчики с переменным зазором (рис. 7) между двумя параллельными пластинами, расположенными одна против другой, на которые подаётся э.д.с., помещается третья подвижная пластина - ротор, которая под действием внешней силы (перемещения) перемещается поступательно. С этой пластины и осуществляется съём сигнала на усилитель.[7]

Рисунок 7 Емкостной дифференциальный преобразователь с переменным зазором

При проектировании емкостных преобразователей следует учитывать паразитные емкости , создаваемые как конструктивными элементами, так и соединительными проводами, которые шунтируют емкость преобразователя и могут вызывать значительное уменьшение его чувствительности.

2.4 Механотроны

Механотронные преобразователи (механотроны) относятся к большой группе электровакуумных электронно-механических преобразователей, действие которых основано на механическом управлении электронным током электровакуумных приборов. Управление электронным током в механотронах осуществляется путём непосредственного механического перемещения их электродов. Они работают на постоянном токе, обладают высокой чувствительностью и очень малой зоной нечувствительности.

В зависимости от вида измеряемой механической величины механотроны подразделяются на преобразователи перемещений, усилий, давлений, ускорений, углов поворота, параметров вибраций, а так же частоты.

Подвижные электроды механотрона соединяются с его оболочкой (баллоном) посредством упругого элемента (мембраны, консольной пружины, торсионного подвеса и т.д.). Совокупность электродов механотрона называется его электродной (или механотронной) системой, а упругий элемент вместе с подвижными электродами и другими подвижными деталями - его кинематической системой.

Кинематическая система интересующих нас механотронных преобразователей линейных перемещений, как правило, имеет внешний восприниматель механического сигнала, и эти преобразователи обычно называются механотронами с внешним механическим управлением.

Процесс преобразования входной механической величины М в выходную электрическую Э, происходящий в механотроне, можно разделить на два этапа. На первом этапе механическая величина М преобразуется кинематической системой механотрона в линейное или угловое перемещение подвижных электродов . На втором этапе величина преобразуется электродной системой в изменение тока или напряжения, т.е. в электрическую величину Э. Зависимость между величинами Э и М - характеристика преобразования в общем случае может быть представлена выражением:

Э = f(М) (4)

Наибольшее распространение в мехатронных преобразователях нашли кинематические системы, упругие звенья которых выполнены в виде:

· плоской мембраны, в центр которой впаян или вварен управляющий стержень (используется в преобразователях перемещений и усилий, а также в мехатронных преобразователях ускорений и угломерах с внешним механическим управлением);

· плоских и гофрированных мембран, а также сильфонов и мембранных коробок (используются в преобразователях давлений);

· консольных пружин, консольных балок на торсионном подвесе и двухплечих балок (типа коромысла) на торсионном подвесе (используются в преобразователях ускорений, параметров вибраций и углов поворота).

Рассмотрим механотрон, предназначенный для преобразования линейных перемещений (рис.8).

В таком преобразователе входной механический сигнал - перемещение , подаваемый на внешний конец стержня механотрона, преобразуется в перемещение подвижного электрода таким образом, что:

(5)

где: m и n - длина соответственно внутренней и внешней частей стержня. Очевидно, что при этом может быть больше, меньше или равно , а чувствительности механотрона по току и по напряжению к перемещению конца его штыря определяются следующими соотношениями:

(6)

где: - соответственно чувствительности по току и по напряжению электродной системы механотрона.

Кинематическая система механотрона представляет собой двухплечий рычаг (рис. 8) с упругой опорой в точке О.

Итак, перемещение анода относительно неподвижного катода изменяются величина и конфигурация электрического поля между электродами, что изменяет силу анодного тока.[11]

Такие преобразователи хороши, однако, не годны для измерения нашей величины, т.к. имеют недостаточно большой диапазон измерений (от 0,01 до 100 мкм).

2.5 Тензочувствительные преобразователи

К резистивным преобразователям, кроме упомянутых ранее реостатных, относятся также и тензорезисторы. Они выпускаются в широких масштабах и довольно часто используются в измерительных системах.

В основе принципа работы тензорезисторов лежит явление тензоэффекта, заключающееся в изменении активного сопротивления проводников при их механической деформации. Характеристикой тензоэффекта материала является коэффициент относительной тензочувствительности k, определяемый как отношение изменения сопротивления к изменению длины проводника:

(7)

где: - относительное изменение сопротивления проводника;

- относительное изменение длины проводника.

В настоящее время находят применение проводниковые (фольговые, проволочные и плёночные) и полупроводниковые тензорезисторы.

Фольговые тензорезисторы (рис. 9) представляют собой тонкую лаковую плёнку, на которую нанесена фольговая тензочувствительная решетка из константана толщиной 4-12 мкм. Решётка сверху покрыта лаком. Фольговые тензорезисторы нечувствительны к поперечной деформации вследствие малого сопротивления перемычек, соединяющих тензочувствительные элементы.[8]

Рисунок 9 Фольговый тензорезистор

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

Фольговые и проволочные 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 21612-76.

Полупроводниковые тензорезисторы представляют собой пластинку монокристалла кремния или германия длиной 5-10 мм, шириной 0,2-0,8 мм. К её торцам приварены выводные проводники. Номинальное сопротивление лежит в пределах 50-800 Ом. Свойства полупроводниковых и металлических преобразователей сильно различаются. Чувствительность полупроводниковых преобразователей может быть как положительной, так и отрицательной и лежит в пределах . Как сопротивление, так и чувствительность сильно зависят от температуры.

Тензорезисторы применяются для преобразования деформации деталей в изменение сопротивления. Для этого они приклеиваются к этим деталям и испытывают одинаковые с ними деформации. Отсюда следует, что тензорезисторы не подходят для измерения нашей величины, а именно линейных перемещений буксы, однако в рессорном подвешивании вагонов могут найти широкое применение, и в совместной работе с разрабатываемым преобразователем составить многофункциональную систему контроля.



3. Выбор преобразователя

Исходя из выше приведённого обзора наиболее предпочтительным считаем реостатный преобразователь линейных перемещений, конструкция которого приведена на рис. 5, а. Выбор данного типа преобразователя за основу обусловлен его очевидными преимуществами:

1) широкий диапазон измерительных усилий;

2) простота конструкции;

3) высокая надежность в работе;

4) минимизация габаритов преобразователя.

Первое преимущество явилось определяющим, так как остальные типы рассмотренных преобразователей либо не способны обеспечить требуемый диапазон измерений, либо с помощью их этого тяжело добиться.



4. Техническое задание

4.1 Назначение и область применения

Реостатный преобразователь больших линейных перемещений относится к измерительной технике. Цель - контроль с помощью данного преобразователя линейных перемещений в рессорном подвешивании вагона, обеспечение безопасности и работоспособности рессор. Ранее, данная величина не подвергалась контролю, поэтому прямых аналогов у разрабатываемого прибора нет, поэтому его разработку будем вести руководствуясь общими принципами построения реостатных преобразователей. Это обусловлено так же и узким кругом применения таких преобразователей.

4.2 Основные требования к преобразователю

Основными параметрами устройства являются:

1) диапазон измерений: от 0 до 100 мм;

2) погрешность измерений: не более 3%;

3) выходное сопротивление: от 0 до 100 Ом;

4) порог чувствительности: 1 Ом;

5) межвитковая емкость: 20 пФ.

Снятие значений измеряемой величины должно производится с помощью адекватно отградуированного устройства с цифровой индикацией.

Требования по эксплуатации должны обеспечивать безопасность работы преобразователя перемещения. К таковым требованиям относятся:

1) предельно допустимое перемещение: 0-100 мм;

2) изоляция электрических цепей,

3) надежное крепление составляющих преобразователя.



5. Конструкторский раздел

Данный раздел подразумевает рассмотрение необходимых для проектирования схемы устройства физических эффектов, положенных в основу принципа действия преобразователя, и возникающих в процессе работы. Также приводится рассмотрение электрической схемы включения датчика.

Приведены расчеты функции преобразования, электрической схемы, погрешностей, допустимых и возникающих в процессе работы. На основе вышеперечисленного делаются выводы о возможностях преобразователя.

5.1 Принцип действия преобразователя

Конструкция разрабатываемого преобразователя наиболее часто применяется для измерения линейных или угловых перемещения, поэтому зарекомендовала свою простоту и надёжность. Представляет собой реостат, щётка которого перемещается под действием измеряемой величины - линейного перемещения. Реостат представляет собой цилиндр, на который намотана изолированная константановая проволока. В месте контакта со щёткой обмотка зачищена от изоляции. При перемещении щётки с одного витка на другой происходит ступенчатое изменение сопротивления, что вызывает погрешность квантования, уменьшающуюся с ростом числа витков. Выходное сопротивление фиксирует прибор с цифровой индикацией.

Уравнение преобразования такого преобразователя в самом общем виде выглядит так: R = f(), где R - выходное сопротивление преобразователя, - линейное перемещение щётки.

Данный прибор является параметрическим, т.е. требует дополнительного источника питания.



5.2 Расчет основных характеристик преобразователя

Конструкция преобразователей разрабатывалась в соответствии с проведёнными расчетами, включающими в себя расчёты характеристик преобразователя при номинальных размерах и размерах элементов, соответствующих граничным условиям допусков, и функции преобразования по заданным исходным данным. Кроме того содержатся расчеты погрешностей, возникающих во время работы преобразователя.

Как уже отмечалось ранее, выходная величина преобразователя изменяется ступенчато, поэтому зададимся порогом чувствительности: . Сопротивление реостата изменяется в пределах от 0 до 100 Ом. Вычислим число витков:

Выберем далее материал провода по температурному коэффициенту сопротивления (), для этого выразим из формулы:

где:

Итак, в качестве материала провода выбираем константан, т.к. его параметры наиболее подходящие:

Зададим далее диаметр провода (выберем из стандартного ряда) и вычислим его длину:

Выбираем диаметр 0,1 мм (столь малый диаметр выбран постольку, поскольку требуется обеспечить достаточно большое сопротивление и затратить на производство провода минимальное количество дорогостоящего константана) и выражаем из (11) длину провода (

Вычисляем шаг укладки:

Теперь зададим диаметр каркаса 1 мм и вычислим его длину:

Принимаем длину каркаса , и вычислим теперь шаг укладки:

Рассчитаем количество теплоты, выделяемое в обмотке при температуре , которая обусловлена ни чем иным, как погодными условиями при эксплуатации в России, где в течении года температура меняется в диапазоне от -30 до +30:

где: с - удельная теплоёмкость (для константана с=397);

m - масса провода;

- разность температур ();

для этого необходимо рассчитать поперечное сечение провода:

его объём:

и, наконец, массу:

Рассчитаем теперь количество теплоты:

Проведём расчет максимально допустимого тока в обмотке:

Данный преобразователь является инерционным звеном и обладает по этому межвитковой ёмкостью С = 20 пФ.

Запишем дифференциальное уравнение преобразователя:

где: Т - постоянная времени звена;

- передаточный коэффициент звена;

- выходное напряжение;

- входное напряжение.

Постоянная времени в данном случае равна:

Передаточный коэффициент находим по формуле:

Запишем теперь передаточную функцию (представив для этого дифференциальное уравнение в операторной форме):

Выполним замену переменных и получим комплексный коэффициент преобразования:

Амплитудно-частотная характеристика данного преобразователя описывается следующим выражением:

(27)

Из формулы (27) видно, что выражение для ЛАЧХ преобразователя состоит из двух слагаемых:

(28)

;

Изображение ЛАЧХ и ЛФЧХ, а так же АФХ приведены на листах графической части.

Рассчитаем теперь функцию преобразования. Функция преобразования в самом общем случае имеет вид: y = f(x), где х и у - входная и выходная величина соответственно. В нашем случае входной величиной является перемещение , а выходной - сопротивление , а функция преобразования имеет вид:

(29)

где: - сопротивление всего реостата;

- перемещение движка;

- длина провода;

- длина всего реостата;

- удельное сопротивление.

Графическое изображение функции преобразования представлено в графической части.

Чувствительность преобразователя есть отношение приращения выходного сопротивления к приращению входного перемещения:

(30)

Рассмотрим теперь погрешности, возникающие в преобразователе. В сложных электрических устройствах, как правило, погрешность складывается из многих факторов. В нашем случае абсолютная погрешность описывается следующим выражением:

(31)

где: - погрешность, обусловленная неточной выдержкой диаметра провода, принимаем

- погрешность, обусловленная неточным соблюдением длины провода, принимаем

- погрешность, обусловленная неправильным выбором сплава, не обеспечивающего нужное удельное сопротивление, принимаем т.к. в современных условиях правильно выбрать сплав довольно просто;

, где ; ;

Рассчитаем теперь общую погрешность преобразователя:

(32)

Погрешность шунтирования обусловлена тем, что на выходе подсоединена нагрузка, в виде вольтметра, обладающего сопротивлением 1 Мом:

С учётом полученных данных найдём общую погрешность преобразователя:

Получили погрешность, значительно ниже требуемой, что является положительным событием.

Структурная схема и схема включения преобразователя приведены на листах графической части.

Заключение

В данном курсовом проекте был разработан реостатный преобразователь линейных перемещений для контроля рессорного подвешивания вагона, а конкретно, для контроля линейных перемещений буксы. Данный тип контроля ранее не приме6нялся и поэтому разработанный преобразователь не имеет аналогов. Контроль линейных перемещений буксы позволяет существенно увеличить надёжность и безопасность железнодорожных перевозок. Разработанный преобразователь отличается относительно высокой точностью и надежностью в работе. Результаты проектирования датчика соответствуют требованиям, представленным в задании на курсовую работу и являются выполненными с точки зрения технического задания и экономически целесообразны.



Список использованных источников

1. Агейкин Д.И. Датчики контроля и регулирования. Справочные материалы [Текст] / Д.И.Агейкин [и др.]. М.: Машиностроение, 1965. 928 с.: ил.

2. Туричин, А. М. и др. Электрические измерения неэлектрических величин. [Текст] / А. М. Туричин, П. В. Новицкий, Е. С. Левшина, изд. 5-е, перераб. и доп. Л., «Энергия», 1975. 576 с., ил.

3. Бондарева Л.А. Индуктивные, индукционные и емкостные преобразователи контроля / Л.А. Бондарева, Ю.И. Нестерович, П.А.Шведов, Под ред. С.Ф.Корндорфа: Учебное пособие. Орел: ОрелГТУ, 2001. 141 с.

4. Левшина, E. С. Электрические измерения физических величин: учебное пособие для вузов [Текст] / Е. С. Левшина, П. В. Новицкий, Л.: Энергоатомиздат, Ленингр. отд-е, 1983. 320 с., ил.

5. . Ногачева, Т. И. Методические указания к выполнению курсового проекта по дисциплине «Физические основы получения информации» для специальности 200101 «Приборостроение» [Текст] / Т. И. Ногачева. Орел: ОрелГТУ, 2006. 18 с.

6. Готра З.Ю. Датчики: Справочник [Текст] / З.Ю. Готра, Л.Я. Ильницкий, Э.С. Полищук, Под ред. З.Ю. Готра, О.И. Чайковский. Львов: Каменяр, 1995. 312 с.: табл: рис. Рос., ISBN 5-7745-0233-3.

7. Измерение электрических и неэлектрических величин: Учебное пособие для вузов.[Текст] / Н.Н. Евтихеев, Я.А. Купершмидт, В.Ф. Папуловский, В.Н. Скугоров; Под общ. ред. Н.Н. Евтихеева. М.: Энергоатомиздат, 1990. 352 с.: ил. ISBN 5-283-00624-7.

8. Котюк А.Ф. Датчики в современных измерениях [Текст] / А.Ф.Котюк. М.: Радио и связь. 96 с.: ISBN 5-256-01782-6.

9. Электрические измерения: Учебник для техникумов [Текст] / Р.М. Демидова-Панферова, В.Н. Малиновский, В.С. Попов [и др.]; Под ред. В.Н. Малиновского. М.: Энергоиздат, 1982. 392 с., ил.

10. Мейзда Ф. Электронные измерительные приборы и методы измерений [Текст]: [пер. с англ.] / Ф. Мейзда. М.: Мир, 1990. 535 с., ил. ISBN 5-03-001510-8.

11. Берлин Г.С. Механотроны [Текст] / Г.С. Берлин. М.: Радио и связь, 1984. 284 с., ил.

12. Осадчий, Е. П. и др. Проектирование датчиков для измерения механических величин [Текст] / под ред. Е. П. Осадчего. М.: Машиностроение, 1979. 480 с., ил.

13. Электрические измерения: Учебник для вузов [Текст] / Байда Л.И., Добротворский Н.С., Душин Е.М. [и др.]; Под ред. А.В. Фремке и Е.М. Душина. 5-е изд., перераб. и доп. Л.: Энергия, 1980. 392 с., ил.

14. Дж. Фрайден Современные датчики. Справочник [Текст]: [пер. с англ.] / Фрайден Дж. М.: Техносфера, 2005. 592 с. ISBN 5-94836-050-4.

15. Панев Б.И. Электрические измерения: Справочник (в вопросах и ответах) [Текст] / Б.И. Панев. М.: Агропромиздат, 1987. 224 с.: ил.

16. Аш Ж. и соавторы Датчики измерительных систем [Текст] / В 2-х книгах. Кн.1. [пер. с франц.]. М.: Мир, 1992. 480 с., ил.

17. Боднер В.А., Алфёров А.В. Измерительные приборы. Теория, расчет, проектирование: Учебник для вузов. [Текст] / В 2-х т. М.: Издательство стандартов., 1986. 244 с., ил.

18. Патент 2051329 С1 Тензометрический датчик перемещений [Текст] / Васильев К.И., Антипов А.В.; патентообладатель Центральные аэрогидрадинамический институт им. проф. Н.Е. Жуковского; Бюл. 27.12.95. № 36.

19. Библиотека железнодорожника [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://rwlib.narod.ru/.

20. Помощник машиниста локомотива [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.pomogala.ru/.

21. ASWN. Всё о железной дороге СНГ [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.aswn.ru/.

Размещено на Allbest.ru

...