CC BY
21
УДК 681.586.785; 53.087.92
В.Н. Прошкин, И.А. Прошин, Л.А. Прошкина, М.А. Магомедова
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МАГНИТОСТРИКЦИОННЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ УГЛОВЫХ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ С ГЕЛИКОИДАЛЬНОЙ МАГНИТНОЙ СИСТЕМОЙ ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ
Рассмотрен способ совершенствования магнитострикционного преобразователя угловых перемещений с геликоидальной магнитной системой позиционирования для измерения параметров движения нереверсивных вращающихся объектов.
Магнитострикционный преобразователь, угловые перемещения, геликоида, магнитная система, позиционирование
V.N. Proshkin, I.A. Proshin, L.A. Proshkina, M.A. Magomedova
IMPROVING MAGNETOSTRICTIVE ANGULAR DISPLACEMENT TRANSDUCERS WITH A HELICAL MAGNETIC POSITIONING SYSTEM
The paper describes a method for improving magnetostrictive angular displacement transducers comprising a helical magnetic positioning system developed with the aim of measuring the movement of unidirectional rotating objects.
Magnetostriction transducer, angular displacement, helicoid, magnetic system, positioning
Развитие машиностроения, приборостроения, транспорта, создание современных авиационных тренажеров обусловливает высокие требования к комплексу метрологических, эксплуатационных и экономических характеристик систем измерения угловых перемещений. Перспективным направлением построения устройств для измерения линейных и угловых перемещений [1] следует признать использование магнитострикционных эффектов (J. Joule, E. Villari, G. Wiedemann, C. Matteucci и др.). Магнитострикционные преобразователи, удовлетворяющие наиболее жестким метрологическим, динамическим и технико-экономическим требованиям, вместе с тем обеспечивают высокую конструктивную совместимость и встраиваемость в технические системы широкого назначения [1-9].
В состав измерительного преобразователя входят магнитная система позиционирования (МСП), механически связанная с контролируемым вращающимся объектом, и первичный преобразователь (ПП) с цилиндрическим акустическим волноводом (ЦАВ), акустоэлектрическим преобразователем (АЭП), акустическими демпферами. В известных преобразователях угловых перемещений корпусу ПП вместе с ЦАВ [1] придают различную криволинейную форму (U-образную, С-образную, О-образную, спиралеобразную). Волновод во всех преобразователях выполняет функцию чувствительного элемента из ферромагнитных сплавов. Создавая из него ту или иную форму, в его рабочем пространстве формируются нежелательные внутренние напряжения и изменяются его магнитные свойства. Чем меньше радиус изгиба, тем больше эти напряжения и намагниченность. Поэтому преобразователь может эффективно работать только при больших радиусах кривизны чувствительного элемента. Даже термообработка для снятия внутренних напряжений и остаточной намагниченности в рабочем пространстве ЦАВ не даст положительного результата, так как известно, что для их уменьшения необходимо одновременное температурное и механическое (растягивающее и крутильное) воздействие на чувствительный элемент [10-13], что практически неосуществимо для ЦАВ криволинейной формы.
Известно, что в преобразователях для линейных перемещений измерительный диапазон, длина «мертвой зоны», наблюдаемая в районе АЭП, и характеристика нелинейности напрямую зависят от вида размещения и крепления чувствительного элемента в корпусе ПП [11].
С целью компенсации внутренних напряжений и исключения образования в рабочем пространстве интерферирующих магнитоупругих волн акустический волновод устанавливают с определенными продольным и радиальным механическими напряжениями, выбираемыми исходя из диаметра, длины и материала ЦАВ. Для уменьшения провиса волновода дополнительно устанавливают систему внутренних и внешних канальных опор [11, 14]. Введение предлагаемых усовершенствований обеспечивает высокие метрологические характеристики преобразователя.
Предлагаемая концепция построения магнитострикционных преобразователей угловых перемещений основывается на придании криволинейной формы МСП, а не волноводу. Так, в работе [15] реализован один из вариантов измерительного преобразователя, в котором МСП выполнена в виде одного витка геликоиды, расположенного на цилиндрической поверхности радиусом R. Высота Н геликоидальной магнитной системы позиционирования составляет шаг винтовой линии, равный диапазону перемещения МСП /мсп. Ось вращения геликоиды цилиндра механически связана с осью вращения контролируемого объекта.
Рассмотренное техническое решение характеризуется значительным преимуществом, которое может быть полезным только для работы в диапазоне 0... <360 градусов. Это связано с проблемной зоной измерения угловых перемещений объекта при переходе от 360 до 0 градусов, в районе начальной и конечной точек магнитной винтовой линии, которые соответствуют началу и концу рабочей зоны измерения на линейном участке измерительного преобразователя. Даже если на этапе изготовления МСП эту зону можно максимально объединить, в процессе эксплуатации из-за различных факторов (температурные, вибрационные, временные и т.д.) эти точки могут не совпасть, что приведет к наложению или пропаданию полезных измерительных сигналов.
Для расширения диапазона измерения угловых перемещений и снижения погрешности измерения при переходе от 360 до 0 градусов предлагается (рис. 1 а) размещение на цилиндрической поверхности 1 системы позиционирования 2 в виде двух полувитков: правого и левого (половины витков правой и левой геликоиды) с равным шагом из магнитных винтовых линий. Начала правого а0 и левого а5 полувитков объединены в одной точке цилиндрической поверхности, а концы правого а2 и левого а3 полувитков объединены в диаметрально противоположной точке цилиндрической поверхности.
В развернутом виде правый и левый полувитки цилиндрической винтовой линии представляют собой два отрезка прямой (рис. 1 б). Действительно, развертку винтовой линии на протяжении ее ша-
га можно рассматривать как геометрическое место точек, ордината и абсцисса которых связаны линейной функцией у = k•x. Крутизна подъема винтовой линии определяется формулой tg ф = H/пR, где H - шаг винтовой линии, R - радиус цилиндра, ф - угол подъема винтовой линии. Длина каждого по-
лувитка геликоиды равна L = д/ H2 + (pR)
Рис. 1. Геликоидальная магнитная система позиционирования: а - двухполувитковая МСП; б - развертка двухполувитковой МСП
Математически формы правого и левого полувитков винтовых линий зададим системой из трех уравнений соответственно:
х = R • sin(y/2) y = R • cos(y/2)
l
z = •
2 p
•y
х = - R • sin( y /2) y = R • cos(y/2)
z = hMcn •y, 2p
где x, y, z - координаты декартовой системы координат, центром которой является точка пересечения оси цилиндра с перпендикуляром, восстановленным в точке начала рабочей зоны а0а5, показанной на рисунке, причем ось OZ совпадает с осью цилиндра 00i; R - радиус цилиндра; 1мсп - длина рабочей зоны измерения угловых перемещений; у - угол поворота вращающего объекта.
За один оборот вала вращающегося объекта 3 геликоидальное магнитное поле 2 последовательно воздействует на чувствительный элемент преобразователя 4 в диапазоне точек а0...а5. За начало отсчета условно принята точка а0 правого полувитка геликоиды МСП 2, конец - левого полувитка а5. При вращении объекта 3 события периодически повторяются. Предлагаемая МСП и первичный преобразователь конструктивно в два раза короче по сравнению с одновитковой геликоидальной магнитной системой позиционирования [15].
Механизм формирования магнитоупругих волн в чувствительном элементе акустического волновода отражает рис. 2.
В среду акустического волновода 1, выполненного из ферромагнитного материала [16], подается импульс тока возбуждения iume со вторичного преобразователя [17] и формирует в его рабочем пространстве циркулярное (круговое) электромагнитное поле. Взаимодействие циркулярного и аксиального (продольного) поля магнитной системы позиционирования 2 (на рисунке для наглядности показана часть МСП) индуцирует результирующее импульсное магнитное поле. Под действием этого поля в среде волновода 1 формируются распространяющиеся от места возникновения в обе стороны по спирали крутильные магнитоупругие волны ультразвуковой природы (эффект G. Wiedemann). Волны, достигая в некоторый момент времени акустоэлектрического преобразователя 3, считываются им [18, 19] (эффект C. Matteucci) и абсорбируются [20] (поглощаются) демпфером 4.
2
Аксиальное (продольное) поле МСП
Рис. 2. Формирование магнитоупругих волн в чувствительном элементе: 1 - ЦАВ; 2 - МСП; 3 - АЭП; 4 и 5 - акустические демпферы
Время, разделяющее начало подачи токового импульса возбуждения 1итв и получения считывающего импульса 1итс, пропорционально расстоянию от места возникновения упругой волны до аку-стоэлектрического преобразователя 3. На другом конце волновода расположен еще один демпфер 5, который исключает возможность образования отраженных волн от его конца и интерференцию сигналов в волноводном тракте. Вычисление параметров вращения контролируемого объекта происходит во вторичном преобразователе, входящем в состав магнитострикционного преобразователя угловых перемещений (на рисунке не показан).
На рис. 3 представлен состав измерительного преобразователя с тремя вариантами МСП с различным шагом подъема винтовых линий.
На рис. 4 изображены зависимости величины перемещения 1мсп от угла поворота у контролируемого объекта при различном шаге подъема винтовых линий. Как видно из графика, чем ниже подъем, тем меньше измерительный диапазон и габаритные размеры ПП. Эту закономерность следует учитывать при сохранении необходимой разрешающей способности преобразователя, которая задается изменением периода квантования измеряемых временных интервалов во вторичном преобразователе и должна быть тем выше, чем меньше измерительный диапазон 1мсп.
Магнитная система позиционирования может быть выполнена с использованием различных технологий, например на магнитных эластомерах [21].
Рис. 3. Магнитострикционный измерительный преобразователь угловых перемещений: 1 - ПП; 2 - цилиндр; 3 - МСП с различными углами подъема винтовых линий; 4 - контролируемый объект; 5 - ЦАВ; 6 - АЭП; 7 и 8 - акустические демпферы
Достоинство магнитоэластомеров заключается в удачном сочетании эластических и магнитных свойств. Кроме того, они обладают достаточно высокой прочностью, легко поддаются механической обработке, из них можно формировать детали сложной конфигурации, а эластичность позволяет им плотно прилегать к искривленным поверхностям. По структуре магнитоэластомеры представляют собой композиционные материалы, состоящие из эластичной полимерной матрицы и наполнителя -магнитотвердого дисперсного порошка. Разработаны научные основы технологии магнитных эластомеров на основе фторкаучука СКФ-26 и порошка сплава системы К^Ре-В, обладающих высокими магнитными и эластическими характеристиками.
1 СП [ММ] а а
— с-- -
Ф [фад]
Рис. 4. Зависимости величины перемещения Мсп от угла поворота ф контролируемого объекта
Проведенный анализ и предложенное техническое решение показали, что в сравнении с известными преобразователями магнитная система позиционирования обладает малыми габаритными размерами, имеет широкий диапазон измерения, обладая высокой конструктивной совместимостью, легко интегрируется с другими системами в единые комплексы, обеспечивая их многофункциональность. Поэтому разработанный преобразователь может быть рекомендован для широкого использования в транспортных системах различного назначения, приборостроении, машиностроении и системах навигации.
ЛИТЕРАТУРА
1. Сысоева С.С. Автомобильные датчики положения. Современные технологии и новые перспективы. Ч. 13. Магнитострикционные преобразователи - актуальные измерители линейных и нелинейных перемещений и детекторы крутящего момента // Компоненты и технологии. 2006. № 6 (59). С. 92-103.
2. Прошин И.А., Тимаков В.М., Прошкин В.Н. Совершенствование динамических стендов авиационных тренажеров на базе гидроприводов // Мехатроника, автоматизация, управление. 2008. № 12. С. 18-22.
3. Прошин И.А., Тимаков В.М., Прошкин В.Н. Тренажер плавающего объекта для обучения экипажей действиям в чрезвычайных ситуациях // Вестник Астраханского государственного технического университета. Сер. Морская техника и технология. 2009. № 1. С. 82-87.
4. Прошкин В.Н., Прошин И.А., Тимаков В.М. Принципы построения преобразователей параметров движений для гидропривода тренажеров транспортных средств // Надежность и качество: труды Междунар. симпозиума. Пенза, 2010. Т. I. С. 272-275.
5. Прошин И.А., Тимаков В.М., Прошкин В.Н. Тренажер вертолета с имитацией посадки на взволнованную водную поверхность // Мехатроника, автоматизация, управление. 2009. № 9. С. 65-69.
6. Прошкина Л.А., Прошкин В.Н. Повышение качества и конкурентоспособности авиационных тренажеров на основе модернизации // Надежность и качество: тр. Междунар. симпозиума. Пенза, 2013. Т. 2. С. 262-264.
7. Артемьев Э.А., Прошкин В.Н. Способ измерения уровня и массы жидких сред в резервуарах // Надежность и качество: тр. Междунар. симпозиума. 2010. Т. 2. С. 153-154.
8. Многофункциональный преобразователь параметров движения гидропривода тренажера транспортных средств / В.Н. Прошкин, И.А. Прошин, Л.А. Прошкина и др. // Фундаментальные и прикладные исследования в современном мире: материалы XIII Междунар. науч.-практ. конф. СПб., 2016. Т. 1.С. 104-110.
9. Автоматизированная система для сертификационных испытаний динамических стендов тренажеров транспортных средств / В.Н. Прошкин, Л.А. Прошкина, Э.А. Магомедова, М.А. Магомедо-ва // Проблемы и перспективы современной науки: материалы Х Междунар. науч.-практ. конф. Ставрополь: Логос, 2016. С. 87-93.
10. Прошкин В.Н. Магнитострикционные преобразователи линейных перемещений для специальных условий эксплуатации // Датчики и системы. 2007. № 6. С. 35-38.
11. Прошкин В.Н. Конструкторско-технологические способы совершенствования магнито-стрикционных преобразователей линейных перемещений для специальных условий эксплуатации: дис. ... канд. техн. наук. Астрахань, 2007. 173 с.
12. Прошкин В.Н., Прошкина Л.А. Способ термомеханической обработки ферромагнитных проволок для акустических волноводов // Надежность и качество: тр. Междунар. симпозиума. 2013. Т. 2.С. 180-181.
11. Прошкин В.Н., Прошкина Л.А., Разживина Г.П. Способ проверки ферромагнитных проволок после их термомеханической обработки // Надежность и качество: труды Междунар. симпозиума. 2013.Т. 2. С. 181-182.
12. Способы уменьшения влияния внешних ударных и вибрационных воздействий на чувствительный элемент магнитострикционного преобразователя параметров движения / В.Н. Прошкин, Л.А. Прошкина, Э.А. Магомедова, М.А. Магомедова // Научная дискуссия: вопросы технических наук: сб. ст. по материалам ХЫУ Междунар. науч.-практ. конф. М.: Интернаука, 2016. № 3 (33). С. 13-19.
13. Прошкин В.Н., Прошин И.А., Прошкина Л.А. Способ детектирования угловых перемещений на магнитострикционных эффектах с геликоидальной магнитной системой позиционирования // Естественные и технические науки. 2013. № 6 (68). С. 342-347.
14. Артемьев Э.А., Прошкин В.Н. Материалы для чувствительных элементов магнитострикци-онных преобразователей параметров движения // Надежность и качество: тр. Междунар. симпозиума. 2012. Т. 2. С. 258.
15. Магомедова Э.А., Магомедова М.А., Прошкин В.Н. Формирователь импульсов тока возбуждения магнитоупругих волн в акустических волноводах магнитострикционных преобразователях // Молодой ученый. 2011. № 10. С. 45-48.
16. Систематизация требований, предъявляемых к акустоэлектрическим преобразователям маг-нитострикционных измерительных систем / В.Н. Прошкин, М.А. Магомедова, Л.А. Прошкина, Е.В. Трусов // Надежность и качество: тр. Междунар. симпозиума. 2015. Т. 2. С. 40-42.
17. Магомедова Э.А., Магомедова М.А., Прошкин В.Н. Проектирование прецизионных помехоустойчивых импульсных усилителей токовых сигналов для магнитострикционных преобразователей, // Молодой ученый. 2011. № 10. С. 43-45.
18. Систематизация требований, предъявляемых к демпферам акустического волновода магнито-стрикционных преобразователей параметров движений / В.Н. Прошкин, М.А. Магомедова, Л.А. Прошкина, Е.В. Трусов // Надежность и качество: тр. Междунар. симпозиума. 2015. Т. 2. С. 42-44.
19. Таганова В.А. Технология магнитных эластомеров с повышенными эксплуатационными свойствами: дис. ... канд. техн. наук. Саратов, 2011. 135 с.
Прошкин Виктор Николаевич -
кандидат технических наук, доцент цикла «Автоматизация и управление» кафедры «Технология машиностроения» Пензенского государственного технологического университета
Прошин Иван Александрович -
доктор технических наук, профессор цикла «Автоматизация и управление» кафедры «Технология машиностроения» Пензенского государственного технологического университета
Viktor N. Proshkin -
Ph.D., Associate Professor
Department of Mechanical Engineering Technology Penza State University of Technology
Ivan A. Proshin -
Ph.D., Professor
Department of Mechanical Engineering Technology Penza State University of Technology
Прошкина Людмила Андреевна -
кандидат экономических наук, доцент кафедры «Экономическая теория и международные отношения» Пензенского государственного университета
Магомедова Мадина Асадуллаевна -
аспирант цикла «Автоматизация и управление» кафедры «Технология машиностроения» Пензенского государственного технологического университета
Lyudmila A. Proshkina -
Ph.D., Associate Professor
Department of Economic Theory and International
Relations
Penza State University
Madina A. Magomedova -
Postgraduate
Department of Mechanical Engineering Technology Penza State University of Technology
Статья поступила в редакцию 15.04.15, принята к опубликованию 10.11.15
