Теоретические сведения

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №4

Приборы для измерения частоты вращения

деталей машин и механизмов»

Цель работы: ознакомление с устройством и работой приборов для измерения угловой скорости вращения контактным методом.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

Приборы, предназначенные для измерения угловой скорости вращения валов машин и механизмов называются тахометрами. По принципу действия тахометры классифицируются следующим образом:

1. Механические тахометры – их измерительная цепь состоит из механических преобразователей. К числу механических относятся центробежные, часовые, фрикционные, вибрационные и пневматические тахометры.

2. Магнитные тахометры наряду с механическими преобразователями содержат в составе измерительной цепи магнитный индукционный преобразователь.

3. Электрические тахометры наряду с другими содержат в измерительной цепи электромеханические преобразователи. К числу электрических относятся электромашинные электроимпульсные и фотоэлектрические тахометры.

4. Стробоскопические тахометры основаны применении стробоскопического пре-образователя.

Тахометры подразделяются на стационарные, которые предназначены для постоянной установки на каком-либо объекте, и на переносные. Кроме того, различают тахометры, измеряющие скорость контактным и бесконтактным методом. К первой группе относятся все выше названные приборы за исключением фотоэлектрического и стробоскопического тахометров, работающих бесконтактным методом.

Среди большого разнообразия механических тахометров наибольшее распространение имеют центробежные тахометры, принципиальная схема одного из которых приведена на рис.1, а.

Рис.1. – Принципиальная схема центробежного тахометра

Тахометр состоит из нескольких грузиков (чаще всего трёх), симметрично расположенных относительно оси АА, на шарнирно связанных тягах l. Тяги крепятся к муфтам, одна из которых жёстко связана с валом, а вторая (нижняя) имеет возможность перемещаться вдоль оси вала, вращающегося со скоростью . Между муфтами находится пружина, которая стремится приблизить грузики к оси вращения.

При вращении вала развивается центробежная сила Q, расположенная в плоскости, перпендикулярной к оси вращения вала, и направленная радиально. Сила Q может быть разложена на составляющие Q₁ и Q₃ направленные вдоль тяг и Q₂ – параллельно оси АА вверх. Сила Q₂ вызывает перемещение муфты, вверх на величину , являющуюся выходной величиной тахометрического чувствительного элемента. Это перемещение посредством передаточного механизма преобразуется в поворот.

Структурная схема тахометрического чувствительного элемента состоит из звеньев 1; 2; 3, входные и выходные величины которого из них показаны на рис.1, б.

Общей статической характеристикой чувствительного элемента без учета сил трения и силы тяжести подвижных деталей является нелинейная зависимость:

(1)

где, - текущая координата, м;

- угловая скорость, рад/с;

k - число грузов;

m - масса груза, кг;

z - расстояние между втулками (текущее), м;

r₀ - радиус подвеса тяги, м;

l - длина тяги, м;

с - жёсткость пружины, Н/м.

Центробежные тахометры не имеют методических погрешностей. Им свойственны только инструментальные и динамические погрешности. Инструментальные погрешности возникают из-за упругого гистерезиса и последействия пружины, температурных влияний на модуль упругости и густоту смазки, неточностей при изготовлении и сборке деталей.

Достоинствами центробежного тахометрического узла являются простота конструкции, сравнительно высокая точность измерения, и независимость показаний от направления вращения. К недостаткам следует отнести нелинейность статической характеристики, особенно заметную в начале шкалы; сравнительно малый диапазон измерения скорости вращения, который характеризуется величиной отношения от 4 до 6, малую дистанционность измерения; ограниченную предельно допустимой длиной гибкого валика (2,5м).

Для расширения диапазона измерения центробежных тахометров применяют в одних случаях пружины переменной жесткости, а в других – специальные механические редукторы с ручным переключением скоростей вращения вала тахометра при переходе с одного предела на другой. Так, например, переносные (ручные) тахометры часто выполняются многопредельными, т.е. снабжаются коробкой скоростей, позволяющей менять диапазон измеряемых скоростей. Ручной тахометр имеет следующие диапазоны измерения скоростей: 25-100; 75-500; 250-1000; 750-5000; 2500-10000 об/мин. Тахометр имеет циферблат с двумя концентричными шкалами, соответствующими двум группам диапазонов скоростей.

Принцип действия часового тахометра состоит в том, что угловая скорость измеряется по числу оборотов испытуемого вала за определенный промежуток времени. Таким образом, с помощью часового тахометра определяется не мгновенное значение угловой скорости , а ее среднее значение за известный промежуток времени .

(2)

или

(3)

где - число оборотов испытуемого вала за промежуток времени ;

Выражая угловую скорость числом оборотов в минуту, получаем зависимость (3) в виде:

(4)

Часовые тахометры часто называют тахометрами средней скорости, а также тахоскопами. Для определения промежутка времени в часовом тахометре имеется часовой механизм, отчего эта группа тахометров и получила свое название.

По степени автоматизации процесса измерения часовые тахометры могут быть неавтоматические, полуавтоматические и автоматические.

Механизм ручного неавтоматического часового тахометра (тахоскопа) состоят из счетчика оборотов, секундомера с ценой оборота стрелки 60с, пускового устройства и устройства для установки счетчика оборотов и секундомера на нулевое показание. Приводной валик тахоскопа соединяется с испытуемым валом, после чего оператор нажатием на пусковую кнопку одновременно включает счетчик оборотов и секундомер. Наблюдая показания секундомера оператор через 60с выключает счетчик, показания которого дают среднюю за 60с скорость испытуемого вала в об/мин.

Полуавтоматический часовой тахометр отличается тем, что выключение счетчика оборотов происходит автоматически через определенный промежуток времени после пуска. Пуск и установка счетчика в нулевое положение производится оператором вручную. Шкала счетчика градуируется в об/мин.

Рис.2. – Схема полуавтоматического часового тахометра

Пуск механизма производится нажатием на кнопку пускового рычага 1. При нажатии заводится пружина 14 часового механизма. Одновременно пусковой рычаг поворачивает сердечко (кулачок) 11 сидящее фрикционно на центральной оси 10, возвращая стрелку 12 на нулевую отметку циферблата 13. После опускания кнопки стрелка и центральная ось остаются застопоренными собачкой 6, сцепленной с колесом 9, неподвижно сидящим на центральной оси. Приводной валик 7 был присоединен к испытуемому валу перед пуском тахометра: он может вращаться благодаря проскальзыванию во фрикционной муфте 8. Заведенная пружина 14 приводит в действие часовой механизм, спусковое колесо 2 начинает вращаться, палец 5 спускового колеса нажимает на собачку 6, освобождая колесо 9 и ось 10. Стрелка начинает вращаться. По истечении определенного времени (обычно 3 или 6с.) палец 5 освобождает собачку 6, которая стопорит колесо 9 и ось 10. Стрелка останавливается и по шкале можно произвести отсчет измеренной угловой скорости. После измерения прибор отключают от испытуемого вала. Характеристика этого тахометра имеет вид:

(5)

или

(6)

где, - угол поворота стрелки счетчика, рад;

- передаточное отношение передачи между осью-стрелки и приводным валиком тахометра;

- время роботы счетчика, с.

Относительная приведенная погрешность тахометров этого типа не должна превышать ±1% при установке прибора в нормальном положении (шкала горизонтальна, приводной вал и проверяемый соосны) и при температуре в пределах 20±5 °С.

Непрерывное измерение угловой скорости осуществляется автоматическими часовыми тахометрами. В этих приборах включение и выключение счетчика осуществляется периодически часовым механизмом, приводимым в действие от приводного валика тахометра через фрикцион. Указатель счетчика после каждого измерения не устанавливается на нулевую отметку шкалы, а показывает результат последнего измерения до завершения следующего измерения.

Простейшая схема фрикционного тахометра представлена на рис.3.

Через зубчатую передачу 1-2 электродвигатель вращает диск 3 с постоянной угловой скоростью . Диск приводит во вращение ролик 4 за счет трения между ними. Угловая скорость ролика будет пропорциональна угловой скорости диска и расстоянию от ролика до оси вращения диска и обратно пропорциональна радиусу ролика.

Рис.3. – Схема фрикционного тахометра

Если скорость винта 5 и ролика 4 неодинаковы, ролик будет перемещаться вдоль винта. Направление перемещения таково, что скорость ролика будет приближаться к скорости винта. При установившейся скорости винта ролик займет такое положение, при котором его скорость будет равна скорости винта: . При этом получается:

(7)

или

(8)

где, - расстояние ролика от оси вращения диска;

- радиус ролика.

Так как - величина постоянная для данного тахометра, то, следовательно, расстояние ролика до оси вращения диска пропорционально измеряемой угловой скорости.

Следовательно, соединенный с роликом указатель будет показывать по шкале величину измеряемой угловой скорости.

Чувствительным элементом вибрационного тахометра является ряд упругих стальных полос, закрепленных одним концом, каждая из которых настроена на определенную собственную частоту колебаний. Настройка достигается за счет изменения толщины или длины пластин, а также за счет изменения величины масс на свободных концах полосок. Для измерения скорости вала какой-либо машины или станка тахометр крепится к станине или кожуху машины. При вращении вала возникает вибрация частей машины; эта вибрация передается основанию тахометра; при этом возбуждаются резонансные колебания одной-двух полосок, собственные частоты которых близки к частоте вибраций машины.

Принцип действия измерительного механизма магнитоиндукционного тахометра основан на силовом взаимодействии поля постоянного магнита и токов, возникающих в металлическом теле при его движении в магнитном поле.

Рис.4. – Схема магнитоиндукционного тахометра

Постоянный магнит 4 соединен с осью тахометра 5. При движении магнита его магнитное поле непрерывно пересекает цилиндрический колпачок 3 из алюминия. Возникающие в толще алюминия вихревые токи взаимодействуют с магнитным полем и увлекают колпачок в сторону вращения магнита. С осью колпачка связана стрелка указателя 1. Противодействующий момент создается спиральной пружиной 2. Сила взаимодействия вихревых токов, индуктируемых во вращающемся колпачке, и магнитного поля зависит от скорости вращения. Поэтому угол отклонения стрелки пропорционален скорости вращения выходного вала и шкала магнитного тахометра равномерная.

Магнитоиндукционные тахометры очень просты и надежны в эксплуатации. Они нашли широкое применение на самолетах, в автомобильных спидометрах и во многих других приборах. Приводной валик автомобильного спидометра соединяется с одним из валов коробки передач автомобиля посредством гибкого валика. Механизм самолетного тахометра обычно соединяется с контролируемым валом при помощи электрической синхронной передачи.

В электрических тахометрах измеряемая угловая скорость, преобразуется в постоянный, переменный или импульсный ток. В зависимости от рода тока и преобразователя, можно выделить электромашинные тахометры постоянного и переменного тока, электроимпульсные емкостные тахометры и счетно-импульсные тахометры.

Тахометр с электрическим генератором представляет собой сочетание генератора постоянного (рис.5) или переменного (рис.6) и вторичного электроизмерительного прибора.

Рис.5. – Тахометр с электрическим генератором (1)

Принцип действия электрического генератора заключается в том, что при движении проводника в магнитном поле возникает электродвижущая сила. Величина электродвижущей силы пропорциональна магнитной индукции, длине проводника и скорости его движения.

Рис.6. – Тахометр с электрическим генератором (2)

У электрических тахометров постоянного тока характеристика линейная, а у тахометров переменного тока – нелинейная. Тем не менее, более широкое применение получили электромашинные тахометры переменного тока. Их основное преимущество перед тахометрами постоянного тока состоит в том, что генератор переменного тока не имеет коллектора, благодаря чему тахометр лучше сохраняет свою первоначальную точность в процессе длительной работы.

Тахометры с электрическими генераторами в отличие от центробежных и магнитных дают возможность дистанционной передачи показаний, так как вторичный прибор мотет быть удален на значительное расстояние от места измерения. В авиации находят широкое применение электрические тахометры типа ТЭ. Дистанционный электрический тахометр типа ТЭ представляет собой сочетание синхронной передачи и указателя, аналогичного магнитоиндукционному тахометру (рис.7).

Рис.7. – Дистанционный электрический тахометр

Датчиком синхронной передачи служит трехфазный генератор (1) с ротором в виде постоянного магнита. При вращении ротора в обмотках статора возникает переменный ток, частота которого соответствует угловой скорости ротора. Датчик связан трёхпроводной линией с приемником (2), в котором имеется синхронный электродвигатель. Для улучшения пусковых характеристик в роторе электродвигателя, кроме постоянных магнитов, установлены три стальных диска (3). Магниты посажены на ось ротора свободно и связаны с ней через пружину. Это обеспечивает быстрый переход вращения ротора электродвигателя из асинхронного в синхронный режим. На конце вала электродвигателя укреплен магнитный узел (4), содержащий шесть пар полюсов постоянных магнитов, между которыми расположен металлический диск (5) подвижной части указателя. В результате взаимодействия вращающегося магнитного узла с вихревыми токами в металлическом диске возникнет вращающий момент, пропорциональный измеряемой скорости. На одной оси с диском расположены: противодействующая спиральная пружина (6), индукционный успокоитель (7) и стрелка указателя прибора (8).

Дистанционные магнитные тахометры обладают сравнительно высокой точностью (погрешность не более 0,2-0,5%) имеют равномерную шкалу, достаточно надежны в работе.

Тахометры нашли широкое применение для контроля частоты вращения коленчатого вала двигателей внутреннего сгорания практически на всех типах транспортных средств (автомобилях, тракторах, тепловозах, судах, самолетах). Также применяются тахометры для контроля частоты вращения рабочих органов технологических машин.

Кроме того, тахометр может быть использован в качестве счетчика импульсов, например, при подсчете продукции на конвейере, расхода сырья, материалов, времени наработки оборудования, машин и механизмов при испытаниях и обкатке. Подсчет/измерение осуществляется в прямом, обратном или в обоих направлениях. Измеренная величина может быть заранее программно масштабирована в реальные единицы измерения (часы, минуты, метры, шт., упаковки и т. д.)