Перейти к:
Малогабаритный инерционный датчик
https://doi.org/10.38013/2542-0542-2018-3-82-86
Аннотация
Для цитирования:
Китаев В.Н., Афанасьев Р.Л., Петров М.В., Поль В.В. Малогабаритный инерционный датчик. Вестник Концерна ВКО «Алмаз – Антей». 2018;(3):82-86. https://doi.org/10.38013/2542-0542-2018-3-82-86
For citation:
Kitaev V.N., Afanas’Ev R.L., Petrov M.V., Pol V.V. Small-size inertia sensor. Journal of «Almaz – Antey» Air and Space Defence Corporation. 2018;(3):82-86. https://doi.org/10.38013/2542-0542-2018-3-82-86
В разрабатываемых предприятием изделиях в качестве устройств предохранения применяются пороговые инерционные датчики (ИД) с контактными системами в упрочненном исполнении (ИВ7, ИВ30, ИВ31). Указанные приборы, обеспечивающие безопасность изделия, имеют сложные трудоемкие конструкции и по этой причине не могут рассматриваться как инерционные замыкатели для планируемых к разработке устройств задействования.
Для существенного снижения стоимости инерционного прибора предложена его реализация с использованием ранее созданного технического решения по патенту РФ № 2362233 [1] при проведении работ по одной из тем.
Отличительная особенность технического решения ИД по сравнению с известными аналогами - повышенная надежность при простейшей конструкции и малых габаритах.
Инерционный прибор в предложенном варианте конструкции содержит три типоразмера оригинальных деталей (корпус, магнитопровод, магнит), токовывод в виде отрезка капилляра из 29НК, бронзовые проволочные контакты и инерционное тело в виде шарика.
На инерционный прибор - инерционный датчик ИВ29 выпущена эскизная КД, по которой изготавливаются лабораторные образцы для предварительных испытаний с целью подтверждения заявленных характеристик.
ИД замыкает контакт при торможении изделия от встречи с преградой. Габаритные размеры ИД показаны на рис. 1.
Рис. 1. Габаритные размеры ИД
Закрепление ИД в объекте использования осуществляется тремя винтами М3. Установка ИД непосредственно на ферромагнитное основание не допускается. Расстояние от установленного ИД до ферромагнитных элементов не менее 10 мм. Стрелка, маркированная на корпусе ИД, показывает направление ускорения срабатывания. Конструктивная схема ИД представлена на рис. 2.
Рис. 2. Конструктивная схема ИД:
1 - магнит; 2 - шунт; 3 - магнитопровод; 4 - шарик; 5 - корпус; 6 - контакт
Материал токовыводов - ковар 29НК с покрытием Н6, материал корпуса - пресмате- риал АГ4, материал токовыводов - электротехническая сталь или сплав 27КХ. Масса ИД не более 8 г
Пороговое ускорение срабатывания (уставка), которое настраивается при изготовлении ИД, возможно установить в широком диапазоне от нескольких десятков до сотен условных единиц.
В первоначальном варианте конструкции настройка уставки осуществлялась подбором магнита (грубая) и шунта соответствующего сечения (тонкая).
Диаграмма срабатывания ИД - коническая. Соотношение уставок в осевом и поперечном направлении определяется углом конической поверхности, выполненной на маг- нитопроводах в зоне взаимодействия с инерционным телом (шариком).
Разработана математическая модель, позволяющая получать расчетные оценки параметров функционирования и срабатывания ИД. Движение шарика в ИД описано рассмотренными ниже дифференциальными уравнениями.
До момента соприкосновения шарика с контактами
где mш - масса шарика;
Хш - координата шарика по оси Х (рис. 3) под действием приложенных нагрузок;
t - время действия внешней нагрузки;
Fин = mш A - проекция на ось Х силы инерции, действующей на шарик;
A - проекция на ось Хускорения изделия;
Fмаг - проекция на ось Х силы, действующей на шарик со стороны магнита.
После соприкосновения шарика с контактами:
где Fпр - проекция на ось Х силы, действующей на шарик со стороны контакта;
a - угол наклона оси контакта к оси X;
Fтр - проекция на ось Х силы трения [2] между поверхностями шарика и контакта;
Fкор - проекция на ось Х силы [3], действующей на шарик со стороны корпуса ИД;
Рис. 3. ИД при действии ускорения, превышающего уставку:
1 - магнит; 2 - магнитопровод; 3 - шарик; 4 - корпус; 5 - контакт
С использованием численных методов для решения уравнений (1), (2) определено время нахождения в сработанном состоянии ИД. Зависимости перемещения и ускорения шарика от времени для разных мест размещения ИД в изделии, а также зоны изделия (точки 1 и 2) представлены на рис. 4, 5. Вершины пиков (на графике зависимости перемещения от времени) соответствуют контакту шарика с корпусом ИД. Разность времен В и А соответствует времени нахождения ИД в сработанном положении.
Рис. 4. Ускорение (а) и перемещение (б) шарика в зависимости от времени (точка 1)
Рис. 5. Ускорение (а) и перемещение (б) шарика в зависимости от времени (точка 2)
По результатам проведенной оценки продолжительность первого замкнутого состояния контакта инерционного датчика при встрече изделия с преградой более 200 мкс.
Требуемая продолжительность первого замкнутого состояния контакта определяется конструкцией контактной системы: на продолжительном конечном участке перемещения и, соответственно, на начальном обратном участке перемещения шарик взаимодействует с проволочными контактами, обеспечивая замкнутое состояние контакта.
При проведении оптимизации магнитной системы инерционного датчика выявлена необходимость конструктивного обеспечения более тонкой регулировки усилия притяжения шарика магнитной системой. Для этой цели в конструкцию магнитной системы предложено ввести регулировочные винты, выполненные из магнитомягкого материала - электротехнической стали или сплава 27КХ. Конструкция ИД с четырьмя дополнительными регулировочными винтами показана на рис. 6.
Рис. 6. Конструкция ИД с регулировочными винтами:
1 - проволочный контакт; 2 - шунт; 3 - магнит; 4 - инерционное тело; 5 - корпус; 6 - магнитопровод; 7 - токовывод; 8 - крепежные отверстия; 9 - регулировочные винты
Изображенные на виде Б-Б (рис. 6) вертикальные регулировочные винты позволяют шунтировать постоянный магнит, а горизонтальные - менять эффективную площадь магнитопроводов. Благодаря наличию резьбы изменение зазоров между торцами винтов и магнитом является плавным. Винты дополнительно удерживают магнитную систему ИД, обеспечивая требуемую механическую прочность конструкции.
Введение в конструкцию ИД дополнительных регулировочных винтов незначительно повышает его трудоемкость, а следовательно, и стоимость.
Также для упрощения регулировки уставки ИД на конической поверхности магнитопроводов, взаимодействующей с инерционным телом (шариком), и на само инерционное тело нанесено покрытие типа М24Ср9Пд3 или Н1М35Зл3тв. Гарантированный зазор в замкнутой магнитной цепи ИД, обеспечиваемый указанным немагнитным покрытием, позволяет уйти с участка кривой (зависимости усилия притяжения инерционного тела от величины зазора до конической поверхности) с резким изменением притягивающего усилия, что, собственно, и упрощает регулировку.
Выполнение замкнутой магнитной цепи ИД повышает сохраняемость его параметров при воздействии внешних электромагнитных полей в течение длительного срока эксплуатации.
Стоимость подобного простейшего прибора при изготовлении на серийных предприятиях отрасли не будет превышать 5 % от стоимости изготовления приборов ИВ7, ИВ30, ИВ31.
Оригинальные решения конструкторских задач, показанные на примере разработки малогабаритного инерционного датчика ИВ29, могут быть полезны инженерам-конструкторам, создающим электромеханические приборы для систем автоматики изделий.
Список литературы
1. Инерционный переключатель. Патент РФ № 2362233 от 24.12.2007. Н01Н 35/14. Опубл. 20.07.2009.
2. Яворский Б.М., Детлаф А.А. Справочник по физике для инженеров и студентов вузов. М.: Наука, 1977. С. 53-55.
3. Матюнин В.М. Критические нагрузки и параметры отпечатка в начальной стадии пластического контакта шара с плоской поверхностью метала // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2007. Т. 73. № 4. С. 62-65.
Об авторах
В. Н. КитаевРоссия
Р. Л. Афанасьев
Россия
М. В. Петров
Россия
В. В. Поль
Россия
Рецензия
Для цитирования:
Китаев В.Н., Афанасьев Р.Л., Петров М.В., Поль В.В. Малогабаритный инерционный датчик. Вестник Концерна ВКО «Алмаз – Антей». 2018;(3):82-86. https://doi.org/10.38013/2542-0542-2018-3-82-86
For citation:
Kitaev V.N., Afanas’Ev R.L., Petrov M.V., Pol V.V. Small-size inertia sensor. Journal of «Almaz – Antey» Air and Space Defence Corporation. 2018;(3):82-86. https://doi.org/10.38013/2542-0542-2018-3-82-86