RU2562273C2 - Test bench for measurement of mass-inertia characteristics of item - Google Patents
Test bench for measurement of mass-inertia characteristics of item Download PDFInfo
- Publication number
- RU2562273C2 RU2562273C2 RU2013150156/28A RU2013150156A RU2562273C2 RU 2562273 C2 RU2562273 C2 RU 2562273C2 RU 2013150156/28 A RU2013150156/28 A RU 2013150156/28A RU 2013150156 A RU2013150156 A RU 2013150156A RU 2562273 C2 RU2562273 C2 RU 2562273C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- product
- frame
- stand
- mass
- axis
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Force Measurement Appropriate To Specific Purposes (AREA)
- Gyroscopes (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области механических измерений, в частности к измерению массы, координат центра масс и моментов инерции изделий.The invention relates to the field of mechanical measurements, in particular to the measurement of mass, coordinates of the center of mass and moments of inertia of products.
Задача управления скоростным движением изделий космической и реактивной техники, наземных и морских транспортных систем требует для своего решения знания массы, координат центра масс и моментов инерции изделий. Наиболее достоверным методом определения комплекса указанных параметров является измерение.The task of controlling the high-speed movement of products of space and rocket technology, land and sea transport systems requires a knowledge of the mass, coordinates of the center of mass and moments of inertia of the products. The most reliable method for determining the complex of these parameters is measurement.
Известен комплекс для измерения массы, координат центра масс и моментов инерции машиностроительных изделий (см. В.В. Богданов, B.C. Волобуев и др. «Комплекс для измерения масс и моментов инерции машиностроительных изделий», Измерительная техника №2, 2002, с. 37-39).A known complex for measuring mass, coordinates of the center of mass and moments of inertia of engineering products (see VV Bogdanov, BC Volobuev and others. "Complex for measuring masses and moments of inertia of engineering products", Measuring technique No. 2, 2002, S. 37 -39).
Комплекс включает в себя два стенда, один из которых предназначен для измерения массы и координат центра масс, другой - для измерения моментов инерции изделий. Стенд для измерения массы и координат центра масс состоит из двух рам, на горизонтальных балках которых с помощью специальных хомутов устанавливается протяженное по длине изделие цилиндрической формы. При помощи вертикальных стержней балки соединены с четырьмя динамометрами. Основания динамометров соединены с опорными стойками, которые жестко закреплены на силовом фундаменте. Вдоль стержней действуют силы реакции, которые измеряются динамометрами.The complex includes two stands, one of which is designed to measure the mass and coordinates of the center of mass, the other - to measure the moments of inertia of the products. The stand for measuring mass and coordinates of the center of mass consists of two frames, on the horizontal beams of which, with the help of special clamps, a cylindrical product extended over the length is installed. Using vertical rods, the beams are connected to four dynamometers. The bases of the dynamometers are connected to the support posts, which are rigidly fixed to the power foundation. Along the rods are reaction forces, which are measured by dynamometers.
По сумме реакций динамометров измеряют массу изделия, а по комбинации реакций и известным координатам расположения динамометров - две горизонтальные координаты центра масс. Для измерения вертикальной координаты необходимо повернуть изделие на угол 90° вокруг продольной оси изделия.The mass of the product is measured by the sum of the reactions of the dynamometers, and by the combination of reactions and the known coordinates of the dynamometers, two horizontal coordinates of the center of mass. To measure the vertical coordinate, you must rotate the product 90 ° around the longitudinal axis of the product.
Стенд для измерения моментов инерции представляет собой раму с четырьмя вертикальными пружинами, на которые с помощью специальных хомутов устанавливается изделие. В местах крепления пружин к хомутам расположены датчики перемещений, измеряющие деформацию пружин. Чтобы эти точки не смещались горизонтально, в конструкции стенда предусмотрены направляющие втулки. Таким образом, движение изделия возможно только по трем степеням свободы.The stand for measuring moments of inertia is a frame with four vertical springs, on which the product is installed using special clamps. In places where the springs are attached to the clamps, displacement sensors are located that measure the deformation of the springs. To prevent these points from moving horizontally, guide bushings are provided in the stand design. Thus, the movement of the product is possible only in three degrees of freedom.
До начала измерений к пружинам прикладывается сила, которая затем мгновенно убирается и система начинает совершать свободные колебания по трем степеням свободы. В результате цифровой обработки сигналов каждого из датчиков находятся частоты и амплитуды колебаний, используемые для определения моментов инерции изделия. Для получения трех осевых моментов инерции необходимо повернуть изделие на 90° вокруг продольной оси.Prior to the measurement, a force is applied to the springs, which is then immediately removed and the system begins to make free oscillations in three degrees of freedom. As a result of digital signal processing of each of the sensors, the frequencies and amplitudes of oscillations are used to determine the moments of inertia of the product. To obtain three axial moments of inertia, it is necessary to rotate the product 90 ° around the longitudinal axis.
Основными недостатками данного комплекса являются следующие:The main disadvantages of this complex are the following:
- необходимость поворота изделия на угол 90° для получения результата измерений (во многих случаях такой поворот недопустим по техническим условиям на изделие);- the need to rotate the product through an angle of 90 ° to obtain a measurement result (in many cases, such a rotation is unacceptable according to the technical conditions for the product);
- измерение массы и координат центра масс производится на одном стенде, а моментов инерции - на другом, что приводит к дополнительным ошибкам измерений из-за неточного совмещения (рассогласования) осей изделия с осями стенда.- the mass and coordinates of the center of mass are measured on one stand, and the moments of inertia on another, which leads to additional measurement errors due to inaccurate alignment (mismatch) of the product axes with the axes of the stand.
В связи с созданием ряда стендов в настоящее время в ФГУП «ЦАГИ» накоплен определенный опыт в технике измерений моментов инерции различных тел и появилась возможность дальнейшего совершенствования методологии создания подобных средств измерения.In connection with the creation of a number of stands, TsAGI has gained some experience in the technique of measuring the inertia moments of various bodies and it has become possible to further improve the methodology for creating such measuring instruments.
Наиболее близким конструктивным решением является созданный в ФГУП «ЦАГИ» стенд для измерения массы, координат центра масс и тензора инерции изделия машиностроения (см. патент на изобретение №2368880, МПК G01M 1/10, 2008, «Датчики и системы» №5, 2010 г. Стр. 24-28; 29-33), содержащий раму, к которой крепится изделие, динамометры, датчики угла, пружины, станину, динамометрическую платформу с узлом поворота рамы, устройство задания колебаний, состоящее из подвижных внутренней, внешней и нижней рам, соединенных между собой и со станиной шарнирами и системой пружин, соединенных с рамами, при этом оси шарниров соединены с осями датчиков угла.The closest constructive solution is the stand created at FSUE TsAGI for measuring the mass, coordinates of the center of mass and inertia tensor of an engineering product (see patent for invention No. 2368880, IPC G01M 1/10, 2008, “Sensors and systems” No. 5, 2010 Page 24-28; 29-33), containing the frame to which the product is attached, dynamometers, angle sensors, springs, a bed, a dynamometric platform with a frame rotation unit, an oscillation setting device consisting of movable internal, external and lower frames interconnected with the bed with hinges and a spring system in, connected to the frames, while the axis of the hinges are connected to the axes of the angle sensors.
Все необходимые измерения выполняются на одном стенде без изменения установочного положения изделия.All necessary measurements are performed on one stand without changing the installation position of the product.
Стенд имеет два режима работы - статический и динамический.The stand has two modes of operation - static and dynamic.
В статическом режиме при помощи динамометрической платформы измеряются масса и три координаты центра масс изделия. Горизонтальные координаты центра масс определяются по измеренным динамометрами силам. Для измерения вертикальной координаты изделию при помощи узла поворота задается ряд последовательных углов наклона. По измеренным при помощи динамометрической платформы моментам и измеренным углам наклона определяется вертикальная координата центра масс изделия.In static mode, the mass and three coordinates of the center of mass of the product are measured using a dynamometer platform. The horizontal coordinates of the center of mass are determined by the forces measured by the dynamometers. To measure the vertical coordinate of the product using a rotation node, a series of consecutive tilt angles is specified. From the moments measured using the dynamometer platform and the measured tilt angles, the vertical coordinate of the product’s center of mass is determined.
Моменты инерции измеряются в динамическом режиме. При этом рама с изделием совершают свободные затухающие колебания последовательно вокруг трех ортогональных осей стенда. При помощи динамометрической платформы измеряются три динамических момента, по которым, используя данные датчиков угла, известные массу и координаты центра масс, при помощи аппарата цифровой обработки сигналов определяются моменты инерции изделия. При затухающих колебаниях рамы с помощью датчиков угла измеряются текущие значения угла поворота рамы, которые используются для вычисления угловых ускорений соответствующей рамы.Moments of inertia are measured in dynamic mode. In this case, the frame with the product make free damped oscillations sequentially around the three orthogonal axes of the stand. Using a dynamometric platform, three dynamic moments are measured, according to which, using the data of angle sensors, the known mass and coordinates of the center of mass, the moments of inertia of the product are determined using the digital signal processing apparatus. With damped frame vibrations, using the angle sensors, the current values of the frame rotation angle are measured, which are used to calculate the angular accelerations of the corresponding frame.
Вектор измеряемого момента, действующего на динамометрическую платформу, представляет собой сумму трех моментов.The vector of the measured moment acting on the dynamometric platform is the sum of three moments.
где Mk - инерционный момент, обусловленный колебаниями изделия вокруг центра масс;where M k is the inertial moment due to product vibrations around the center of mass;
MF - инерционный момент, обусловленный колебаниями массы m изделия вокруг оси вращения;M F - inertial moment due to fluctuations in the mass m of the product around the axis of rotation;
МП - позиционный момент, обусловленный действием силы тяжести изделия при его повороте вокруг оси вращения.M P - positional moment due to the action of gravity of the product during its rotation around the axis of rotation.
Моменты MF и МП по своей природе являются дополнительными, а момент Mk - основным.The moments M F and M P are inherently complementary, and the moment M k is basic.
Основной момент получается путем вычитания из измеряемого момента дополнительных моментов.The main point is obtained by subtracting additional moments from the measured moment.
Вектор основного момента связан с вектором углового ускорения зависимостью:The vector of the main moment is related to the angular acceleration vector by the dependence:
где Т - тензор инерцииwhere T is the inertia tensor
где Jx, Jy, Jz - осевые, a Jx·y=Jy·x; Jx·z=Jz·x; Jy·z=Jz·y - центробежные моменты инерции;where J x , J y , J z are axial, and J x · y = J y · x ; J x z = J z x ; J y · z = J z · y are the centrifugal moments of inertia;
- вектор углового ускорения с составляющими: - vector of angular acceleration with components:
Последовательно возбуждаются колебания рам стенда с изделием вокруг трех прямоугольных осей и одновременно измеряются составляющие момента Mk вдоль указанных осей. После вычитания составляющих от двух дополнительных моментов получим следующие девять уравнений для определения шести моментов инерции:Oscillations of the frame frames of the stand with the product around three rectangular axes are sequentially excited and the components of the moment M k along the indicated axes are simultaneously measured. After subtracting the components from the two additional moments, we obtain the following nine equations to determine the six moments of inertia:
Первые индексы в обозначениях моментов указывают на наименование составляющей момента, а вторые - на ось, вокруг которой колеблется изделие. Для получения окончательных результатов необходимо кроме составляющих момента измерять угловые ускорения.The first indices in the notation of moments indicate the name of the moment component, and the second - on the axis around which the product oscillates. To obtain the final results, it is necessary to measure angular accelerations in addition to the moment components.
Ранее был разработан метод определения углового ускорения по показаниям датчика угла, см. «Датчики и системы» №5, 2012, стр. 29…32.Previously, a method was developed for determining the angular acceleration from the readings of the angle sensor, see "Sensors and Systems" No. 5, 2012, p. 29 ... 32.
Основным недостатком данного стенда является недостаточная точность измерения углового ускорения, т.к. затухающий колебательный сигнал с выхода датчика угла после дискретизации и кодирования поступает на вход режекторного цифрового фильтра, фильтр автоматически настраивается на неизвестные частоту колебаний и коэффициент затухания. По известным параметрам настройки находятся частота колебаний, коэффициент затухания и начальная амплитуда колебаний, необходимые для расчета углового ускорения.The main disadvantage of this stand is the lack of accuracy in measuring angular acceleration, because the damped oscillatory signal from the output of the angle sensor after sampling and coding is fed to the input of the notch digital filter, the filter is automatically tuned to unknown vibration frequency and attenuation coefficient. According to the known settings, the oscillation frequency, attenuation coefficient and the initial oscillation amplitude, necessary for calculating the angular acceleration, are found.
Метод позволяет с высокой точностью измерять угловое ускорение, если частота колебаний остается постоянной в течение всего времени затухания сигнала. Часто из-за нелинейной восстанавливающей силы пружин стенда частота в процессе затухания колебаний изменяется. Колебательная система стенда оказывается неизохронной, ее частота зависит от амплитуды колебаний.The method makes it possible to measure angular acceleration with high accuracy if the oscillation frequency remains constant throughout the entire signal attenuation time. Often, due to the nonlinear restoring force of the stand springs, the frequency changes during the damping process. The oscillatory system of the stand is non-isochronous, its frequency depends on the amplitude of the oscillations.
В результате на входе режекторного фильтра действует затухающий частотно-модулированный сигнал, отчего настройка фильтра сбивается. Неточная настройка фильтра вызывает ошибку измерения частоты и, как следствие, недостаточную точность измерения углового ускорения, а затем и недостаточную точность определения моментов инерции.As a result, a damped frequency-modulated signal acts at the input of the notch filter, which makes the filter settings go awry. An inaccurate filter setting causes an error in measuring the frequency and, as a result, insufficient accuracy of measuring angular acceleration, and then insufficient accuracy of determining the moments of inertia.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение точности измерения углового ускорения путем прямого (без вычисления второй производной от угла поворота по времени) измерения текущего углового ускорения при колебаниях изделия вокруг осей вращения стенда.The technical result of the invention is to increase the accuracy of measuring angular acceleration by direct (without calculating the second derivative of the angle of rotation over time) measuring the current angular acceleration when the product vibrates around the axis of rotation of the stand.
Технический результат достигается тем, что стенд для измерения массо-инерционных характеристик изделия, содержащий раму, к которой крепится изделие, динамометры, датчики угла, пружины, станину, динамометрическую платформу, узел поворота рамы, устройство задания колебаний, состоящее из подвижных внутренней, внешней и нижней рам, соединенных между собой и со станиной шарнирами и системой пружин, при этом оси шарниров соединены с осями датчиков угла, снабжен фиксаторами, обеспечивающими колебания изделия только вокруг той оси, относительно которой в настоящий момент выполняется измерение момента инерции, и установленными на раме, к которой крепится изделие, тремя высокоселективными датчиками углового ускорения, каждый из которых состоит из корпуса, вала, двух маховиков, закрепленных на ободе тензометрического элемента, состоящего из ступицы, обода и соединяющих их двух сигнальных и двух вспомогательных стоек, расположенных вдоль взаимно перпендикулярных осей, при этом отношение радиуса ступицы к длине сигнальной балки не превосходит 0,5, а на внутренних гранях сигнальных стоек в корневых сечениях со стороны ступицы наклеены тензорезисторы, объединенные в мостовую схему, причем оси высокоселективных датчиков углового ускорения ориентированы параллельно осям вращения подвижных внутренней, внешней и нижней рам стенда.The technical result is achieved by the fact that the stand for measuring the mass-inertial characteristics of the product, containing the frame to which the product is attached, dynamometers, angle sensors, springs, bed, dynamometer platform, frame rotation unit, oscillation setting device, consisting of movable internal, external and lower frames connected to each other and to the bed by hinges and a system of springs, while the axis of the hinges are connected to the axes of the angle sensors, is equipped with clamps that allow the product to oscillate only around that axis, relative which is currently measuring the moment of inertia, and mounted on the frame to which the product is attached, three highly selective angular acceleration sensors, each of which consists of a housing, a shaft, two flywheels, mounted on the rim of a tensometric element consisting of a hub, a rim and connecting their two signal and two auxiliary racks located along mutually perpendicular axes, while the ratio of the radius of the hub to the length of the signal beam does not exceed 0.5, and on the inner faces of the signal struts in the root sections from the hub side are glued with strain gauges integrated in a bridge circuit, and the axes of highly selective angular acceleration sensors are oriented parallel to the rotation axes of the movable inner, outer and lower frames of the stand.
Для более подробного пояснения предлагаемого изобретения рассмотрим схему стенда, его конструкцию и принцип действия.For a more detailed explanation of the invention, we consider the layout of the stand, its design and principle of operation.
На фиг. 1 показана аксонометрическая проекция конструкции стенда.In FIG. 1 shows a perspective view of a bench structure.
На фиг. 2 - конструкция стенда в двух ортогональных проекциях.In FIG. 2 - stand design in two orthogonal projections.
На фиг. 3 - аксонометрическая проекция высокоселективного датчика углового ускорения.In FIG. 3 is a perspective view of a highly selective angular acceleration sensor.
На фиг. 4 - аксонометрическая проекция тензометрического элемента высокоселективного датчика углового ускорения.In FIG. 4 is a perspective view of a strain gauge element of a highly selective angular acceleration sensor.
На фиг. 5 - схема деформации стоек тензометрического элемента под действием инерционного момента.In FIG. 5 is a diagram of the deformation of the struts of a tensometric element under the action of an inertial moment.
На фиг. 6 - схема деформации сигнальной стойки тензометрического элемента.In FIG. 6 is a diagram of a strain of a signal rack of a strain gauge element.
На фиг. 7 - прогиб y и угол поворота φ под действием силы Y и момента MZ.In FIG. 7 - deflection y and rotation angle φ under the action of force Y and moment M Z.
На фиг. 8 - график зависимости коэффициента K от .In FIG. 8 is a graph of the dependence of the coefficient K on .
На фиг. 9 - эпюра моментов, действующих в поперечных сечениях сигнальной стойки.In FIG. 9 is a diagram of moments acting in cross sections of a signal rack.
На фиг. 10 - схема установки тензорезисторов на сигнальные стойки.In FIG. 10 is a diagram of the installation of strain gages on signal racks.
На фиг. 11 - электрическая схема соединений тензорезисторов в измерительный мост.In FIG. 11 is an electrical diagram of the strain gauge connections to the measuring bridge.
На фиг. 12 - приращения сопротивлений тензорезисторов при действии момента МИ.In FIG. 12 - increment of resistance of strain gages under the action of the moment M And .
На фиг. 13 - приращения сопротивлений тензорезисторов при действии силы FY.In FIG. 13 - increment of resistance of the strain gages under the action of the force F Y.
На фиг. 14 - приращения сопротивлений тензорезисторов при действии силы FZ.In FIG. 14 - increment of resistance of strain gages under the action of forces F Z.
На фиг. 15 приведена фотография высокоселективного датчика углового ускорения.In FIG. 15 is a photograph of a highly selective angular acceleration sensor.
Изделие 1 (фиг. 1 и фиг. 2) установлено на раме 2, соединенной узлом поворота 3 с динамометрической платформой 4, которая посредством четырех вертикальных 5 и двух горизонтальных 6 динамометров опирается на внутреннюю раму 7 устройства задания колебаний, состоящего из подвижных внутренней 7, внешней 8, нижней 9 рам и станины 10. Внутренняя рама 7 соединена с внешней рамой 8 при помощи двух горизонтальных шарниров 11, установленных на кронштейнах 12 и 13, закрепленных на внутренней и внешней рамах соответственно. Внешняя рама 8 соединена с нижней 9 при помощи двух горизонтальных шарниров 14, установленных на кронштейнах 15 и 16, закрепленных на внешней и нижней рамах соответственно. Нижняя рама 9 соединена со станиной 10 при помощи вертикального шарнира 17. Оси шарниров 11, 14 и 17 направлены вдоль координатных осей 0XYZ стенда так, что внутренняя рама 7 может совершать маятниковые колебания вокруг оси Z, внешняя рама 8 - вокруг оси Y, а нижняя рама 9 - вокруг оси X. Внутренняя рама 7 соединена с внешней рамой 8 парой пружин 18. Внешняя рама 8 соединена с нижней рамой 9 парой пружин 19. Нижняя рама 9 соединена со станиной 10 двумя парами пружин 20. На валах трех шарниров установлены датчики угла 21, 22 и 23. В результате образованы три независимые колебательные системы, каждая из которых способна совершать колебания вокруг одной из трех ортогональных осей стенда. Для предотвращения произвольных угловых перемещений изделия стенд снабжен фиксаторами 24, 25 и 26, обеспечивающими колебания изделия только вокруг той оси, относительно которой в настоящий момент выполняется измерение момента инерции.The product 1 (Fig. 1 and Fig. 2) is mounted on a
Основной особенностью данного стенда является наличие в нем трех высокоселективных датчиков углового ускорения (ВДУУ) 27, 28 и 29, расположенных на раме 2, так что ось ВДУУ 27 параллельна оси Y стенда, ось ВДУУ 28 параллельна оси X и ось ВДУУ 29 параллельна оси Z стенда, т.е. каждый ВДУУ измеряет угловое ускорение при колебаниях изделия вокруг одной из осей стенда. Для обеспечения балансировки на раме 2 установлен противовес 30.The main feature of this stand is the presence of three highly selective angular acceleration sensors (VDUU) 27, 28 and 29 located on the
ВДУУ (фиг. 3) состоит из корпуса 31, в котором установлен вал 32. На валу установлен тензометрический элемент 33, к ободу которого неподвижно закреплены два маховика 34. Корпусы 31 датчиков 27, 28, и 29 неподвижно закреплены на раме 2 (фиг. 1 и фиг. 2). Тензометрический элемент (фиг. 4) представляет собой ступицу 35 и обод 36, соединенные двумя сигнальными 37 и двумя вспомогательными 38 стойками. На сигнальных стойках наклеены тензорезисторы 39. На внешней цилиндрической поверхности тензометрического элемента выполнены четыре резьбовые отверстия 40 для установки тарировочных приспособлений.The VDUU (Fig. 3) consists of a
Стенд работает следующим образом.The stand works as follows.
Подобно прототипу в нем предусмотрены два режима работы - статический и динамический.Like the prototype, it has two operating modes - static and dynamic.
В статическом режиме при помощи динамометрической платформы измеряются масса и три координаты центра масс изделия. Горизонтальные координаты центра масс определяются по измеренным динамометрами 5 (фиг. 1 и фиг. 2) силам. Для измерения вертикальной координаты изделию при помощи узла поворота 3 задается ряд последовательных углов наклона. По измеренным при помощи динамометрической платформы 4 моментам и измеренным углам наклона определяется вертикальная координата центра масс изделия.In static mode, the mass and three coordinates of the center of mass of the product are measured using a dynamometer platform. The horizontal coordinates of the center of mass are determined by the forces measured by dynamometers 5 (Fig. 1 and Fig. 2). To measure the vertical coordinate of the product using the
Моменты инерции измеряются в динамическом режиме. При этом рама 2 с изделием 1 совершают свободные затухающие колебания последовательно вокруг трех ортогональных осей стенда. При помощи динамометрической платформы 4 измеряются три динамических момента, по которым, используя величины ускорений, полученные от датчиков углового ускорения 27, 28, 29, известные массу и координаты центра масс, при помощи аппарата цифровой обработки сигналов, определяются моменты инерции изделия относительно осей стенда.Moments of inertia are measured in dynamic mode. In this case, the
При измерении осевого момента инерции относительно оси Y фиксатор 24 (фиг. 1 и фиг. 2) разомкнут и допускает колебания изделия вокруг оси Y, а фиксаторы 25 и 26 замкнуты и предотвращают угловые перемещения изделия вокруг осей X и Z. Внешняя рама 8 с установленными на ней внутренней рамой 7, динамометрической платформой 4 и рамой 2 с изделием 1 отклоняется на угол φY вокруг оси Y стенда и под действием пружин 19 совершает угловые затухающие колебания. Моменты, приложенные к изделию, измеряются вертикальными динамометрами 5, а угловое ускорение, в отличие от прототипа, - высокоселективным датчиком углового ускорения 27 (фиг. 1 и фиг. 2)When measuring the axial moment of inertia about the Y axis, the latch 24 (Fig. 1 and Fig. 2) is open and allows the product to oscillate around the Y axis, and the
При измерении осевого момента инерции относительно оси Z фиксатор 25 (фиг. 1 и фиг. 2) разомкнут, а фиксаторы 24 и 26 замкнуты и предотвращают угловые перемещения изделия вокруг осей X и Y. Внутренняя рама с динамометрической платформой 4, рамой 2 и изделием 1 отклоняется на угол φZ вокруг оси Z стенда и под действием пружин 18 (фиг. 1 и фиг. 2) совершает затухающие угловые колебания. Моменты, приложенные к изделию, измеряются вертикальными динамометрами 5, а угловое ускорение - высокоселективным датчиком углового ускорения 29 (фиг. 1 и фиг. 2).When measuring the axial moment of inertia about the Z axis, the latch 25 (Fig. 1 and Fig. 2) is open, and the
При измерении осевого момента инерции относительно оси X фиксатор 26 (фиг. 1 и фиг. 2) разомкнут, а фиксаторы 24 и 25 замкнуты и предотвращают угловые перемещения изделия вокруг осей Y и Z. Нижняя рама 9 с внешней 8, внутренней 7 рамами, с динамометрической платформой 4, рамой 2 и изделием 1 отклоняется на угол φX вокруг оси X стенда и под действием пружин 20 (фиг. 1 и фиг. 2) совершает затухающие угловые колебания. Моменты, приложенные к изделию, измеряются горизонтальными динамометрами 6, а угловое ускорение - высокоселективным датчиком углового ускорения 28 (фиг. 1 и фиг. 2).When measuring the axial moment of inertia about the X axis, the latch 26 (Fig. 1 and Fig. 2) is open, and the
Далее, используя выражения (3) и измеренные составляющие моментов и углового ускорения определяются неизвестные моменты инерции.Further, using expressions (3) and the measured components of the moments and angular acceleration, unknown moments of inertia are determined.
Важной отличительной особенностью данного изобретения является наличие трех высокоселективных датчиков углового ускорения, которые работают следующим образом. На фиг. 5 схематически показана деформация сигнальных 37 и вспомогательных 38 стоек тензометрического элемента под действием инерционного момента МИ, действующего на ступицу 35 со стороны обода 36.An important distinguishing feature of this invention is the presence of three highly selective angular acceleration sensors, which operate as follows. In FIG. 5 schematically shows the deformation of the
Величина момента:The magnitude of the moment:
где J - суммарный осевой момент инерции маховиков датчика и обода и других элементов тензометрического элемента;where J is the total axial moment of inertia of the flywheels of the sensor and the rim and other elements of the strain gauge element;
- измеряемое угловое ускорение вала стенда; - the measured angular acceleration of the stand shaft;
MC - часть инерционного момента, приложенного к одной сигнальной стойке;M C - part of the inertial moment applied to one signal rack;
МВ - часть инерционного момента, приложенного к одной вспомогательной стойке;M In - part of the inertial moment applied to one auxiliary rack;
На фиг. 6 показана схема деформации стойки длиной l при повороте ступицы радиуса R на угол φ.In FIG. 6 shows a diagram of the deformation of a strut of length l when turning a hub of radius R by an angle φ.
где ;Where ;
Для сигнальной стойки шириной bC, толщиной hC, длиной lC и ступицы радиуса R (фиг. 4) cφ выражается зависимостью:For a signal rack with a width of b C , a thickness of h C , a length of l C and a hub of radius R (Fig. 4), c φ is expressed by the dependence:
На фиг. 7 показаны прогиб у и угол поворота φC корневого сечения сигнальной стойки под действием силы YБ и момента МБ. Последний связан с моментом MC соотношением:In FIG. 7 shows the deflection y and the angle of rotation φ C of the root section of the signal rack under the action of force Y B and moment M B. The latter is related to the moment M C by the ratio:
где K - коэффициент передачи моментаwhere K is the moment transmission coefficient
Из выражения (8) следует, что коэффициент передачи момента изменяется в зависимости от отношения . На фиг. 8 представлен график зависимости коэффициента передачи момента K от отношения , где штриховкой выделен интервал изменения отношения , внутри которого K≥1.From the expression (8) it follows that the moment transmission coefficient varies depending on the ratio . In FIG. 8 is a graph of the moment transmission coefficient K from the ratio where the shading indicates the interval of change in the ratio inside which K≥1.
При отношении коэффициент передачи момента имеет максимальное значение Kmax=1,16.With respect the moment transmission coefficient has a maximum value of K max = 1.16.
Таким образом, с целью получения высокой чувствительности датчика к измеряемому угловому ускорению отношение радиуса ступицы к длине сигнальной стойки должно быть не более 0,5.Thus, in order to obtain a high sensitivity of the sensor to the measured angular acceleration, the ratio of the hub radius to the length of the signal rack should be no more than 0.5.
Важным фактором, обеспечивающим получение высокой чувствительности ВДУУ, является выбор места размещения тензорезисторов на сигнальной стойке.An important factor ensuring the high sensitivity of the VDUU is the choice of the location of the strain gauges on the signal rack.
На фиг. 9 приведена эпюра моментов, действующих в поперечных сечениях вдоль сигнальной стойки. Момент Моб в корневом сечении стойки со стороны обода связан с моментом Мступ со стороны ступицы зависимостью:In FIG. Figure 9 shows a plot of moments acting in cross sections along a signal rack. The moment M about in the root section of the rack from the side of the rim is connected with the moment M stup from the side of the hub by the dependence:
откуда следует, что при любых R и lC для увеличения чувствительности ВДУУ к измеряемому угловому ускорению необходимо размещать тензорезисторы в месте, непосредственно примыкающем к корневому сечению сигнальной стойки со стороны ступицы.whence it follows that for any R and l C, in order to increase the sensitivity of the VDUU to the measured angular acceleration, it is necessary to place the strain gauges in a place directly adjacent to the root section of the signal rack from the hub side.
Кроме высокой чувствительности не менее важным требованием является высокая селективность датчика. Обычно не удается конструктивно совместить ось датчика с осью вращения рамы 2 (фиг. 1 и фиг. 2), к которой крепится изделие. При несоосном размещении на датчик, кроме углового, действует линейное ускорение и, как следствие, вместе с моментом МИ (фиг. 10) появляется вектор инерционной силы FИ.In addition to high sensitivity, an equally important requirement is the high selectivity of the sensor. Usually it is not possible to constructively align the axis of the sensor with the axis of rotation of the frame 2 (Fig. 1 and Fig. 2), to which the product is attached. When misaligned, the sensor, in addition to angular, is subject to linear acceleration and, as a result, along with the moment M AND (Fig. 10), the vector of inertial force F And appears.
На фиг. 10 показана схема размещения тензорезисторов R1, R2, R3 и R4 на сигнальных стойках тензометрического элемента. Указанные тензорезисторы соединены по мостовой схеме, приведенной на фиг. 11, где UП - напряжение питания моста, a ΔU - выходной сигнал.In FIG. 10 shows the layout of the strain gages R 1 , R 2 , R 3 and R 4 on the signal racks of the strain gauge element. Said strain gauges are connected according to the bridge circuit shown in FIG. 11, where U P is the supply voltage of the bridge, and ΔU is the output signal.
При деформации растяжения сопротивление тензорезистора увеличивается, т.е. сопротивление тензорезистора будет R+ΔR, при деформации сжатия - уменьшаться, т.е. сопротивление тензорезистора будет R-ΔR.With tensile strain, the resistance of the strain gauge increases, i.e. the resistance of the strain gage will be R + ΔR, with compression deformation it will decrease, i.e. the resistance of the strain gage will be R-ΔR.
Отношение приращения выходного напряжения к напряжению питания моста выражается формулой:The ratio of the output voltage increment to the supply voltage of the bridge is expressed by the formula:
где R - исходные сопротивления тензорезисторов.where R is the initial resistance of the strain gages.
Под действием момента МИ (фиг. 12) тензорезисторы получают одинаковые по абсолютной величине и различные по знаку приращения:Under the action of the moment M AND (Fig. 12), the strain gauges receive the same in absolute value and different in sign increments:
где k - коэффициент тензочувствительности;where k is the coefficient of strain sensitivity;
ε - относительная деформацияε is the relative strain
где σ - механическое напряжение под тензорезистором;where σ is the mechanical stress under the strain gauge;
Е - модуль Юнга;E is Young's modulus;
MC - момент в сечении сигнальной стойки в месте установки тензорезистора;M C is the moment in the cross section of the signal rack at the installation site of the strain gauge;
WC - момент сопротивления сечения сигнальной стойки в месте установки тензорезистора.W C is the moment of resistance of the cross section of the signal rack at the installation site of the strain gauge.
В результате из (4), (5) и (8) находим:As a result, from (4), (5) and (8) we find:
Составляющая инерционной силы FY (фиг. 13) сжимает верхнюю и растягивает нижнюю сигнальные стойки.The inertial force component F Y (Fig. 13) compresses the upper and stretches the lower signal racks.
В результате тензорезисторы R1 и R2 получают равные по величине отрицательные приращения сопротивления, а тензорезисторы R3 и R4 положительные приращения. В результате:As a result, the strain gages R 1 and R 2 receive equal in magnitude negative increments of resistance, and the strain gages R 3 and R 4 positive increments. As a result:
В данном случае:In this case:
; ;
где SC - площадь сечения сигнальной стойки.where S C is the cross-sectional area of the signal rack.
Подставляя (14) в (10), находим:Substituting (14) into (10), we find:
Датчик не чувствителен к составляющей инерционной силы FY.The sensor is not sensitive to the component of the inertial force F Y.
Составляющая инерционной силы FZ (фиг. 14) изгибает сигнальные стойки, при этом тензорезисторы R1 и R4 получают равные по величине положительные приращения сопротивления, а тензорезисторы R2 и R3 - отрицательные.The component of the inertial force F Z (Fig. 14) bends the signal posts, while the strain gages R 1 and R 4 receive equal in value positive increments of resistance, and the strain gages R 2 and R 3 are negative.
В результате:As a result:
При этом:Wherein:
где - момент от силы FZ в сечении сигнальной стойки в месте установки тензорезисторов;Where - the moment of force F Z in the cross section of the signal rack at the installation site of the strain gauges;
WC - момент сопротивления сечения сигнальной стойки в месте установки тензорезисторов;W C is the moment of resistance of the signal rack section at the installation site of the strain gauges;
Е - модуль Юнга.E is Young's modulus.
Подставляя (16) в (10), находим:Substituting (16) in (10), we find:
Датчик не чувствителен к составляющей инерционной силы FZ.The sensor is not sensitive to the component of the inertial force F Z.
Учитывая что:Given that:
можно сделать вывод о нечувствительности датчика к вектору инерционной силы произвольно ориентированной в плоскости датчика.we can conclude that the sensor is insensitive to the inertial force vector arbitrarily oriented in the plane of the sensor.
Показания датчика в соответствии с (13) пропорциональны исключительно угловому ускорению, что подтверждает высокую селективность датчика углового ускорения.The sensor readings in accordance with (13) are proportional exclusively to angular acceleration, which confirms the high selectivity of the angular acceleration sensor.
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2013150156/28A RU2562273C2 (en) | 2013-11-12 | 2013-11-12 | Test bench for measurement of mass-inertia characteristics of item |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2013150156/28A RU2562273C2 (en) | 2013-11-12 | 2013-11-12 | Test bench for measurement of mass-inertia characteristics of item |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2013150156A RU2013150156A (en) | 2015-05-20 |
RU2562273C2 true RU2562273C2 (en) | 2015-09-10 |
Family
ID=53283736
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2013150156/28A RU2562273C2 (en) | 2013-11-12 | 2013-11-12 | Test bench for measurement of mass-inertia characteristics of item |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2562273C2 (en) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2697442C2 (en) * | 2017-09-13 | 2019-08-14 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Комбинат "Электрохимприбор" (ФГУП "Комбинат "Электрохимприбор") | Device for determining inertial characteristics of elongated articles |
RU2797387C1 (en) * | 2022-11-21 | 2023-06-05 | Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство промышленности и торговли Российской Федерации (Минпромторг России) | Stand for measuring the mass, coordinates of the centers of mass and moments of inertia of products |
Families Citing this family (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN112229570B (en) * | 2020-10-30 | 2024-09-06 | 广西师范大学 | Rotational inertia error detection device and detection method based on centrifugal force method |
CN114593868B (en) * | 2022-02-10 | 2023-09-19 | 上海机电工程研究所 | Self-adaptive high-precision moment of inertia measuring device |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2287795C1 (en) * | 2005-04-27 | 2006-11-20 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный аэрогидродинамический институт им. проф. Н.Е. Жуковского" (ФГУП "ЦАГИ") | Device for measurement of aerodynamic force vector's components and of moment |
US7278295B2 (en) * | 2002-05-31 | 2007-10-09 | Politecnico Di Milano | Device for measuring the inertia tensor of a rigid body |
RU2368880C1 (en) * | 2008-05-29 | 2009-09-27 | Российская Федерация,от имени которой выступает государственный заказчик - Федеральное агентство по промышленности (Роспром) | Test bench for measurement of mass, coordinates of center of masses and tensor of item inertia |
RU2434213C1 (en) * | 2010-05-24 | 2011-11-20 | Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство промышленности и торговли Российской Федерации (Минпромторг России) | Stand for measuring mass, centre of mass coordinates and inertia tensor of articles |
-
2013
- 2013-11-12 RU RU2013150156/28A patent/RU2562273C2/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US7278295B2 (en) * | 2002-05-31 | 2007-10-09 | Politecnico Di Milano | Device for measuring the inertia tensor of a rigid body |
RU2287795C1 (en) * | 2005-04-27 | 2006-11-20 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный аэрогидродинамический институт им. проф. Н.Е. Жуковского" (ФГУП "ЦАГИ") | Device for measurement of aerodynamic force vector's components and of moment |
RU2368880C1 (en) * | 2008-05-29 | 2009-09-27 | Российская Федерация,от имени которой выступает государственный заказчик - Федеральное агентство по промышленности (Роспром) | Test bench for measurement of mass, coordinates of center of masses and tensor of item inertia |
RU2434213C1 (en) * | 2010-05-24 | 2011-11-20 | Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство промышленности и торговли Российской Федерации (Минпромторг России) | Stand for measuring mass, centre of mass coordinates and inertia tensor of articles |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
В.В.Богданов, B.C.Волобуев и др. "Комплекс для измерения масс и моментов инерции машиностроительных изделий", Измерительная техника N2, 2002, с.37-39 * |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2697442C2 (en) * | 2017-09-13 | 2019-08-14 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Комбинат "Электрохимприбор" (ФГУП "Комбинат "Электрохимприбор") | Device for determining inertial characteristics of elongated articles |
RU2797387C1 (en) * | 2022-11-21 | 2023-06-05 | Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство промышленности и торговли Российской Федерации (Минпромторг России) | Stand for measuring the mass, coordinates of the centers of mass and moments of inertia of products |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2013150156A (en) | 2015-05-20 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US4065962A (en) | Load cell | |
RU2368880C1 (en) | Test bench for measurement of mass, coordinates of center of masses and tensor of item inertia | |
RU2434213C1 (en) | Stand for measuring mass, centre of mass coordinates and inertia tensor of articles | |
RU2562273C2 (en) | Test bench for measurement of mass-inertia characteristics of item | |
Lei et al. | A high-precision two-dimensional micro-accelerometer for low-frequency and micro-vibrations | |
Schreiber et al. | The application of fiber optic gyroscopes for the measurement of rotations in structural engineering | |
CN102539028A (en) | Vertical ultra-micro force value measuring device based on principle of electrostatic force and source tracing method thereof | |
Wang et al. | A combined tri-dimensional fiber Bragg grating accelerometer for multi-directional measurements | |
Klaus et al. | Determination of model parameters for a dynamic torque calibration device | |
RU2562445C2 (en) | Test bench for measurement of stato-dynamic characteristics of physical objects | |
US4344495A (en) | Equipment for the measurement of minute weight forces | |
RU2506551C2 (en) | Bench for measurement of mass, coordinates of centre of mass and moment of inertia of item | |
RU2568956C1 (en) | Method to calibrate angular acceleration sensor | |
CN1330959C (en) | Method for measuring dynamic bending moment | |
Fu et al. | Six-axis load head with application to electrical conductor nonlinear dynamics | |
Park et al. | Column-type multi-component force transducers and their evaluation for dynamic measurement | |
Ammar et al. | A comparison between static and dynamic stiffness of force transducers for dynamic force calibrations | |
RU2743778C1 (en) | Method for determining the non-stationary force and a device for its implementation | |
Nesterenko et al. | Stiffness evaluation of a metal frame by the method of dynamic tests | |
Klaus et al. | Model parameter identification from measurement data for dynamic torque calibration | |
RU2284489C1 (en) | Vibration testing method to control technical bridge span state | |
RU2780360C1 (en) | Method for determining non-stationary pitch and roll angles and device for its implementation | |
Raguž et al. | Designing and calibration of the system for remote strain control | |
RU2605504C1 (en) | Test bench for vibration isolators resilient elements testing | |
Titus et al. | Establishment and development of torque metrology in CSIR-NPL for providing the traceability in torque measurements to user industries |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20161113 |
|
NF4A | Reinstatement of patent |
Effective date: 20181008 |
|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20191113 |