УДК 621.771.01.08:531.789.1

П.В. КротИнститут черной металлургии (ИЧМ) им. З.И. Некрасова, НАН Украины(Днепропетровск, Украина)

ТЕЛЕМЕТРИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ МОНИТОРИНГА ДИНАМИЧЕСКИХ НАГРУЗОК В ЛИНИЯХ ПРИВОДА ПРОКАТНЫХ СТАНОВ

Виконано огляд телеметричних систем, що застосовуються для виміру обертальних коливань у різних галузях промисловості. Показані переваги та недоліки різних принципів вимірювання та передачі даних з валів, що обертаються у лініях приводу прокатних станів. Наведено опис розроблених в ІЧМ цифрових телеметричних вимірювачів обертальних коливань у складі стаціонарної системи моніторингу динамічних навантажень з функціями діагностики зносу (кутових зазорів).

Выполнен обзор телеметрических систем, применяемых для измерения крутильных колебаний в различных отраслях промышленности. Показаны достоинства и недостатки различных принципов измерения и передачи данных с вращающихся валов в линиях привода прокатных станов. Приведено описание разработанных в ИЧМ цифровых телеметрических измерителей крутильных колебаний в составе стационарной системы мониторинга динамических нагрузок с функциями диагностики износа (угловых зазоров).

An overview is represented of the telemetric systems which applied for torsional measurements in the different branches of industry. The advantages and shortcomings shown for different principles of measurement and data transferring from rotating shafts in the rolling mills drive trains. The description is represented of the digital telemetry devices which designed in ISI and embedded monitoring system with the diagnostics function of wear (angular backlashes).

ВведениеВ настоящее время в странах СНГ и за рубежом разрабатывают, производят и

используют телеметрические датчики крутильных колебаний на вращающихся валах в следующих отраслях промышленности:

автомобильной, при испытаниях трансмиссий машин; нефтегазовой, при бурении скважин; энергетической, на электрических машинах и мощных турбогенераторах; судостроительной, на установках с двигателями внутреннего сгорания; авиационной, при испытаниях приводов вертолетов; металлургической, в линиях привода прокатных станов.

Анализ причин отказов в прокатных станах показывает [1,2,3], что наиболее вероятными являются разовые либо накопленные циклы перегрузок по крутильному

Крот П.В. Телеметрические системы мониторинга динамических нагрузок в линиях привода прокатных станов // «Вибрация машин: измерение, снижение, защита». Научно-технический и производственный сборник статей. Вып. 1. – Донецк.: ДонНТУ, 2008. - С. 46-53.

моменту. Крутильный момент в линии привода обладает высокой информативностью. Однако прямое измерение момента штатными датчиками по электрическим параметрам приводных двигателей не позволяет получить пиковые динамические нагрузки и составляющие момента на частотах собственных колебаний механической системы линии привода (10-25 Гц). Для современных цифровых систем управления приводами необходимо применение специальных методов обработки сигналов токовой нагрузки, которые позволяют выделять сигнал на частотах собственных крутильных колебаний в линиях привода клетей [4]. Точность определения механических нагрузок зависит от параметров настройки приводов и применимо не на всех прокатных клетях, например, где установлены синхронные приводы переменного тока или частотно-регулируемые.

В связи с этим используются системы прямых измерений крутильных колебаний [5,6]. При этом наряду с моментом для диагностических целей регистрируют и другие сигналы, в частности, частоту вращения, ток электродвигателя, усилие прокатки.

Анализ существующих системНа главных приводах четырех клетей рельсобалочного стана №2 фирмы Ньюкор-

Ямато Стил на верхнем и нижнем шпинделях установлено измерительное устройство - "электронный преобразователь вращающего момента" (ЕТС) [6]. Фирмой SMS Demag специально для прокатных станов разработана система наблюдения RoCoCo [7] позднее усовершенствованная в PPMS (Plant & Process Management System). Система базируется на трех отдельных модулях:

MiDaS (Mill Diagnostic System) – система наблюдения за колебаниями в клетях;DТЕСТ – система наблюдения за подшипниками и диагностики редукторов;TAS (Torque Analyzing System) – система наблюдения за крутильными моментами. Система TAS предназначена для наблюдения за крутильным моментом в главных

приводах клетей и моталок. Для этого используются тензометрические датчики, наклеиваемые на вал. Частота регистрации момента до 1000 Гц, что более чем достаточно, учитывая расчетный спектр собственных частот крутильных колебаний (10-100 Гц). Программное обеспечение позволяет для каждого цикла нагрузок, осуществлять частотный анализ, запоминать максимальное и среднее значение. Сообщается, что окупаемость капиталовложений в применяемую систему может быть достигнута примерно за 14 месяцев.

Известны выполненные в настоящее время российские [8] и более ранние в Украине [9] опытно-промышленные разработки систем мониторинга нагрузок прокатных станов. Знание крутильного момента во времени открывает широкие возможности совершенствования режимов работы оборудования и его диагностики:

оптимизация деформационно-скоростного режима по проходам или по клетям;

регистрация и дальнейший анализ событий, являющихся причиной аварий;

установление тенденций для выявления скрытых отказов оборудования; оценка остаточного ресурса деталей линий привода.Следует отметить, что реализация функции расчета остаточного ресурса

оборудования по всей линии привода при наличии только одного или двух измерителей, установленных, например, на шпинделях или моторном валу, требует использования многомассных динамических моделей. Это обусловлено тем, что

отличия в динамике на различных участках линий привода, особенно редукторных, может составлять 100-200% и вносить неприемлемые для расчетов циклов нагрузок погрешности в случае отсутствия моделей. Появление нелинейностей при износе оборудования в виде угловых и радиальных зазоров требует в свою очередь адаптации коэффициентов жесткости в моделях, что может быть выполнено только с помощью средств диагностики. Таким образом, задачи контроля динамических нагрузок в оборудовании естественным образом объединяются с задачами определения его износа на основе динамических моделей и должны быть реализованы в действующих системах мониторинга.

Анализ первичных преобразователейЗа рубежом первичные датчики крутильных моментов, как правило,

разрабатываются исследовательскими институтами либо небольшими фирмами, а крупные фирмы-производители оборудования такие, как SMS-Demag, интегрируют их в свои системы на прокатных станах и других агрегатах. Известные на сегодня измерители крутильных моментов в линиях привода машин и механизмов и первичные датчики по принципу действия можно разбить на несколько групп.

Магнитоупругие датчикиДействие датчиков основано на изменении магнитной проницаемости

ферромагнитных материалов под действием механических усилий сжатия и растяжения, возникающих при передаче крутильного момента. Примером использования эффекта магнитоупругости является Torductor®-S фирмы ABB (Швеция), который широко применяется при испытаниях и отладке автомобильных трансмиссий (Рисунок 1) и судовых приводах с двигателями внутреннего сгорания. В качестве чувствительного элемента используются магнитоупругие элементы, наклеиваемые на вал по аналогии с тензометрическими измерениями.

Рисунок 1 – Магнитоупругие датчики моментов (АВВ, Швеция)

Примером использования данного принципа являются измерители, разработанные в ГМА им. С.О. Макарова (С-Пб, Россия), где для контроля нагрузок в судовых установках [10] в качестве магнитоупругого элемента используется непосредственно тело вала. Использование калиброванных пластинчатых элементов, является более предпочтительным, чем самого вала, имеющего большой разброс свойств, не поддающийся учету в измерительной схеме [11,12].

Несколько отличаются по принципу действия датчики, находящиеся в стадии отработки в Институте проблем машиноведения (ИПМаш РАН, г. С-Пб), основанные на электромеханическом эффекте Видемана [13], где магнитное поле наводится в обмотке, установленной параллельно валу, на котором, однако, необходимо иметь источник переменного напряжения. Поэтому данный принцип приемлем для измерений на неподвижных валах.

Устройство измерения крутильных нагрузок, разработанное ранее в Днепропетровском металлургическом институте [9], также выполнено на основе магнитоупругих месдоз. Опыт опробования магнитоупругих датчиков, в т.ч. и на прокатных станах, показал, что основным недостатком данного принципа измерений является большой уровень низкочастотных электромагнитных помех, вызывающих амплитудную модуляцию полезного сигнала крутильных моментов в области низких частот собственных колебаний линий привода (10-30 Гц).

Пьезоэлектрические датчики Наиболее распространенным конструктивным исполнением серийно выпускаемых

датчиков данного типа являются диски со вставными силоизмерительными элементами, при этом один из валов крепят в торец по наружной окружности отверстий диска, а смежный вал по внутреннему диаметру отверстий в диске. Соединения валов выполняют также штифтовыми или фланцевыми муфтами (см. Рисунок 2). Такие измерители устанавливаются внутри трансмиссий машин или на торцах валов, что практически не реализуемо в линиях привода прокатных клетей.

Рисунок 2 – Конструктивное исполнение датчиков моментов (PCB, США)

Крутильный момент может определяться также по разности угловых смещений двух сечений вала. Величина момента рассчитывается по известному диаметру вала и его жесткости. Между двумя жесткими хомутами, установленных в различных сечениях вала, монтируется предварительно напряженная (для выборки люфтов) пластина с силоизмерительным элементом или индуктивным датчиком микро-перемещений, который реагирует на угловые смещения сечений деформируемого вала. Используется база измерений не более 100-150 мм по длине вала, т.к. это влияет на общую жесткость конструкции измерителя (см. Рисунок 3). Валы прокатных станов в связи с большими диаметрами (300-900 мм) имеют малые углы скручивания, пропорциональные действующим крутильным моментам, и требуют увеличения базы измерений, а это в свою очередь снижает жесткость конструкции хомутов и соединительных балок датчика, что сказывается при действии ударных нагрузок и вибрации. Такая конструкция в свое время использовалась в ИЧМ, но от нее отказались в пользу тензометрии. Большинство серийно выпускаемых зарубежных датчиков данного типа, как правило, служат для прецизионного измерения сравнительно небольших моментов (0.5...10 кН).

Среди новых российских разработок можно отметить ОАО "Авангард" (Санкт-Петербург), разработавшее датчик крутильного момента на двух резонаторах, работающих на поверхностных акустических волнах (рисунок 4). Резонаторы закреплены на вращающемся валу перпендикулярно друг другу. При возникновении механических напряжений рабочая частота резонаторов смещается пропорционально величине момента для одного в сторону увеличения частоты, для другого в сторону

уменьшения частоты. Измеренная разностная частота пропорциональна величине крутильного момента. Резонаторы связаны с измерительной аппаратурой посредством излучателей. Информация по использованию данной разработки в прокатном производстве отсутствует [14].

Рисунок 3 – Конструктивные исполнения датчиков и креплений (Honeywell, США)

Рисунок 4 – Датчик крутящего момента на ПАВ резонаторе (ОАО «Авангард», Россия)

Известен пьезокерамический торсиограф для определения динамики ДВС. Рекомендуемая область применения: автомобилестроение, тракторостроение, двигателестроение. Преимущества перед известными аналогами: безинерционность вырабатываемого датчиком сигнала, высокая чувствительность. Подробное описание прибора отсутствует [15].

Инерционные датчики Датчики Гейгера для измерения моментов или торсиографы, как их называют,

применяются еще с начала прошлого века для исследования судовых силовых установок с протяженными трансмиссиями и ДВС, в т.ч. с телеметрической (по радиоканалу) передачей данных с вращающегося вала, например радиоторсиограф РТ-660-02 разработки ЦНИИ им. академика А.Н. Крылова (С-Пб, Россия). Датчики измеряют колебания участка трансмиссии, обычно на торце вала, относительно маховика. Чувствительным элементом является мягкая спиральная пружина между

торцом вала и маховиком, поддерживающим постоянную скорость вращения. Такие приборы имеют достаточно неравномерную амплитудно-частотную характеристику (АЧХ) на частотах до 50-60 Гц (см. Рисунок 5).

Рисунок 5 – АЧХ радиоторсиографа РТ-660-02

Это позволяет использовать их в судовых трансмиссиях для выявления резонансных режимов на более высоких оборотах вала, но не в прокатных станах, где две низшие собственные частоты находятся в диапазоне 10-25 Гц.

Оптические датчикиВ качестве оптических датчиков могут быть использованы стандартные лазерные

датчики оборотов, которые используются для измерения периодов времени между последовательными импульсами, вызванными крутильными колебаниями данного участка вала. Эффективность измерений определяется правильным выбором места установки датчика, где колебания максимальны, как впрочем, и тензометрическим методом. Оптические способ измерений и датчики (см. Рисунок 6) используются на валах судовых силовых установок [16]. На основе данного принципа измерений фирма Брюел и Кьер выпускает серийный торсиограф, аналогичный прибор СКАН-ТОРСИОГРАФ разработан в ЦНИИМФ (С-Пб, Россия).

Рисунок 6 – Схема измерений при использовании оптических торсиографов

Данный способ измерений крутильных моментов, отличаясь простотой реализации, имеет ряд ограничений для использования. Основными источниками искажений торсиограмм, записываемых с помощью оптических датчиков, являются следующие:

вибрации датчика и биения вала; погрешности при изготовлении ленты «зебра»; погрешности при монтаже ленты на вал.

Кроме того, частота дискретизации сигнала датчика момента зависит от скорости вращения привода.

Тензометрические датчикиТензодатчик, выполненный из проволоки или фольги, преобразует механическую

величину (силу или пропорциональную ей деформацию) в электрический сигнал и широко используются в исследованиях прокатных станов, как на неподвижных деталях, так и на вращающихся валах [17] с использованием ранее струнных токосъемных колец. Основным преимуществом тензометрических датчиков является их установка на агрегаты без изменения конструкции линии привода. Недостатками при использовании тензодатчиков в стационарных системах мониторинга являются медленный дрейф нуля при старении клеящего состава, который может быть скомпенсирован по статической нагрузке на моторном валу с помощью сигнала токовой нагрузки электропривода.

Анализ известных датчиков измерений крутильных моментов и опыт их использования показал, что наиболее приемлемыми в качестве первичных преобразователей в условиях прокатного производства являются тензорезистивные датчики.

Анализ схем съема сигналовДля передачи сигналов с вращающихся валов используется несколько типов схем: контактные (струнные) токосъемные кольца; подвижный ротор (на валу) и неподвижный статор (антенна приемника); передача сигналов по радиоканалу с использованием частотной (FM) или широтно-импульсной (PCM) схем модуляции; емкостный метод передачи сигнала (использован ранее в датчике ИЧМ).

Контактные схемы не рассматриваются, как устаревшие и дающие большие погрешности за счет изменения сопротивления контактов. Среди бесконтактных схем для применения на прокатных станах наиболее приемлемым является FM радиоканал. При использовании индуктивной схемы питания датчика на валу в качестве приемной антенны одновременно используется контур, охватывающий вал. Поэтому датчики не всегда могут быть установлены на шпинделях с большими эксцентриситетами за счет износа вкладышей и нарушениях настройки системы уравновешивания. Зарубежные стационарные системы измерения крутильных моментов устанавливаются, как правило, на карданных либо зубчатых шпинделях (Рисунок 7), которые имеют меньшие биения и больший срок службы, чем на шпинделях с вкладышами скольжения. Максимальное расстояние до вала составляет не более 50 мм. На схеме системы мониторинга (Рисунок 8) видно, что передача данных для регистрации в удаленном компьютере осуществляется аналоговым сигналом 0…10 В, а передача по радиоканалу происходит цифровым модулированным сигналом.

Рисунок 7 – Датчики на карданных шпинделях (ACIDA Torqcontrol, Германия)

Рисунок 8 – Схема системы мониторинга моментов (SMS Demag, Германия)

Тензометры с телеметрической (по радиоканалу) передачей данных являются наиболее распространенными средствами измерения деформации вала. Наиболее известными фирмами-производителями аппаратуры, в т.ч. для прокатных станов, являются Binsfeld Enginieering, Honeywell Sensotec, Advanced Telemetric Internatinal (США), Manner Sensortelemetrie, Kraus Messtechnik & Telemetrie, ACIDA Torqcontrol (Германия), Astech Electronics (Великобритания), Tateyama Electronics (Япония).

Рисунок 9 – Телеметрический датчик момента (Advanced Telemetric Int., США)

Известно измерительное оборудование ФПК «Космос-Нефть-Газ», которое обеспечивает энергосбережение [18]. Использование бесконтактной системы измерения крутильного момента и мощности (БИКМ) в составе газоперекачивающих агрегатов ГПА на компрессорных станциях позволяет осуществить определение фактических характеристик газотурбинных установок ГТУ, а на их основе определять оптимальные режимы работы каждого ГПА для минимизации расхода топливного газа при заданных условиях транспортировки газа (см. Рисунок 10).

Рисунок 10 – Бесконтактный измеритель момента на градуировочной машине

Известен датчик момента на роторе с механическим приводом (измеритель момента скручивания вала привода) ICS SM 0004 (см. Рисунок 11), производства "ГЕОТЕК-ПРИБОР" (Россия). Основные характеристики датчика [19]:

диапазон измеряемого крутильного момента 0…60 кНм;

точность измерения 3 %; потребляемый ток не более 40 мА.

Рисунок 11 – Бесконтактный измеритель момента привода ICS SM

Датчик предназначен для непрерывного измерения крутильного момента ротора с механическим приводом. Измерение момента скручивания вала привода осуществляется с помощью тензометрического первичного преобразователя. Крепление первичного преобразователя к валу осуществляется с помощью шпилек, которые монтируются на валу сваркой с использованием специального технологического устройства для фиксации шпилек при сварке. Питание первичного преобразователя и передача его сигнала осуществляется системой приема-передачи сигнала, состоящей из двух микропроцессорных приемопередатчиков: одного, смонтированного на валу вблизи первичного преобразователя, и второго, смонтированного на кронштейне вблизи вала. Максимальное расстояние питания и передачи 70 мм, оптимальное 40 мм. Питание первичного преобразователя и прием его сигнала осуществляется и при остановке вала.

Для бурильных установок, где используется косвенный метод измерения момента по усилиям на неподвижных элементах оборудования, известен комплект аппаратуры, выпускаемый ЗАО Московское СКБ „ОРЕОЛ”. Такого же типа комплект приборов измерителя крутильного момента на машинном ключе выпускает Ивано-Франковское «СКБ средств автоматизации».

Известен датчик МС-130М на базе электронного динамометра [20]. Прибор предназначен для эксплуатации на подъемных установках, производит измерение реактивных усилий в трансмиссии между двумя датчиками, данные с которых обрабатываются в блоке управления. Кроме того, в блок управления поступают данные от счетчиков оборотов. В настоящее время предлагается версия МС-130М без функции записи данных в переносной модуль памяти для переноса данных в ПК. По желанию заказчика такая функция может быть введена. Дополнительно индицируется линейная шкала, показывающая величину крутильного момента относительно максимального заданного значения. В приборе, по всей видимости (подробное описание отсутствует), для измерения крутильного момента используются два датчика оборотов, что ограничивает частоту дискретизации мгновенных значений моментов частотой оборотов вала.

Среди других разработок, ранее выполненных на Украине, известно также радиотелеметрическое устройство [21] с тензометрическими датчиками, использовавшееся при исследованиях прокатных станов, которое также имеет ряд эксплуатационных недостатков.

С 1980-х годов в ИЧМ используется телеметрический измеритель аналогового типа [22], который применялся при исследованиях на многих прокатных станах Украины и стран СНГ. Отсутствие возможности воспроизводства измерителя, выполненного на устаревших компонентах, и дрейф нуля в связи с большим сроком службы элементов схемы не позволяет использовать его в стационарных системах измерения крутильных колебаний. Поэтому выполнена разработка цифрового телеметрического измерителя крутильных моментов [23,24].

Разработка цифрового измерителяСхемные решения разрабатываемого измерителя1 предусматривают все

технические и эксплуатационные требования, обусловленные его применением в условиях прокатного производства, а именно:

высокая помехозащищенность по радиоканалу; температурная стабильность; защита от механических повреждений, масла, СОЖ, окалины; малое энергопотребление передатчика на валу; получение сигнала углового положения вала; достаточно широкий диапазон частот входного сигнала.

В схемах датчика (см. Рисунок 12) использованы комплектующие зарубежных фирм (трансиверы, микроконтроллеры, АЦП, ЦАП, усилители, стабилизаторы, источники опорного напряжения), которые широко используются в RFID (радиочастотной идентификации) системах и промышленности.

а) передатчик б) приемник в) крепление передатчика на валу

Рисунок 12 – Схемы и крепление бесконтактного измерителя момента

Телеметрический канал измерения деформации вала включает (см. Рисунок 13): тензодатчики (полумост), НЧ фильтр, усилитель постоянного тока, 12-разрядные АЦП и ЦАП, 8-разрядный микроконтроллер, два цифровых FM приемопередатчика, компьютер с платой АЦП и входами для регистрации как аналоговых, так и цифровых данных измерения.

Несущая частота передачи данных по радиоканалу составляет 433,92 МГц и осуществляется в цифровом коде частотно-модулированными сигналами, что

1 Разработка цифрового измерителя выполнена совместно с инж. Е.П. Рахно .

обеспечивает высокую помехозащищенность в условиях промышленных шумов и позволяет реализовать достаточно большую дальность действия (до двух десятков метров). Это выгодно отличает разработанную схему от других аналогичных зарубежных систем с несущей частотой 100-600 кГц (диапазон RFID устройств), которые требуют установки приемников на расстоянии 10-50 мм от вала.

Протокол обмена данными между элементами схемы выполняется в коде Манчестер, который обладает повышенной помехоустойчивостью и широко используется в мире для локальных компьютерных сетей. Передача данных по линии связи с приемника на компьютер для регистрации может быть выполнена как в виде аналогового сигнала после цифро-аналогового преобразования, так и в цифровом коде. При отладке схемы используется ЦАП для ввода аналогового сигнала. Применяемая в регистрирующем компьютере плата АЦП имеет в своем составе 8 цифровых входов-выходов и позволяет регистрировать до 8-ми сигналов, а также выдавать цифровые сигналы для изменения настроек измерителя с удаленного компьютера. В дальнейшем для использования в стационарной системе передача сигналов по линии реализуется стандартным протоколом RS485, что в свою очередь накладывает ограничения на синхронизацию каналов и скорость передачи данных в зависимости от длины линии связи.

Рисунок 13 – Структурная схема бесконтактного измерителя момента

Допускаемый температурный диапазон работы блоков системы является важным фактором надежности и точности измерительной схемы, поскольку вызывает дрейф сигналов, а при достаточно высоких температурах – отказ электронных компонентов. Температурный диапазон большинства применяемых схемных компонентов составляет -40…+85С, а допускаемый температурный диапазон микросхем приемо-передатчиков -40…+70С. Это позволяет использовать измеритель в условиях работы

Стационарный источник питания

Стабилизатор питания

FM приемник

Источник напряжения

Микро-контроллер

FM передатчик

Цифр. данные

Батарейный источник питания

АЦП диффе-ренциальный

Тензодатчики на валу (полумост)

Усилитель ПТ

ПЕРЕДАТЧИК ПРИЕМНИК

Схема обработкиСхема питания

Микро-контроллер

ЦАП

Схема обработки

Стабилизатор питания

Источник напряжения

Батарейный ист. питания

Схема питания

Трансформаторный источник питания

КОМПЬЮТЕРРадио-сигнал

Программарегистрации

Плата АЦПцифровые входы

аналоговые входы

Аналог. данные

Программаобработкии база данных

Фильтр НЧ

станов горячей прокатки в летнее время, когда температура нагрева излучением от широкополосного металла в районе шпинделей и клети составляет до +60…+70С. Необходимо учитывать, что при вращении моторного вала с частотой 6-8 об/с охлаждение передатчика будет происходить за счет обтекания наружным воздухом с температурой +30…+40С в машзале. Для изоляции передатчика от нагрева используется герметичный полимерный корпус и теплоизолирующая прокладка между валом и креплением. Поэтому схемные решения по температурной компенсации измерительных каналов не предусматривались, хотя при необходимости могут быть выполнены в дальнейшем.

Конструктивное исполнение модулей касается следующих блоков: корпус передатчика и расположение передающей антенны; крепление корпуса передатчика с блоком питания на валу; корпус приемника и его расположение по отношению к приемнику;

Конструкция блоков системы и креплений должна обеспечивать, прежде всего, защиту от механических повреждений во время ремонтов и работы оборудования станов, а также масла, воды и металлизированной окалины. Конструктивное исполнение определяет надежность измерителя, а в конечно итоге и себестоимость его эксплуатации с учетом времени на простои оборудования и стоимости вышедших из строя блоков системы и соединительных кабелей. Высокая несущая частота (короткая длина волны) приемо-передатчика позволяет размещать антенны внутри герметичных пластиковых корпусов, что намного упрощает эксплуатацию измерителя. В зарубежных системах при более низкой несущей частоте требуется намотка антенн по периметру вала.

Первичные преобразователи (тензорезисторы) могут применяться как отечественного, так и зарубежного производства с сопротивлением 100-700 Ом. Увеличение сопротивления датчиков снижает энергопотребление схемы передатчика, что желательно по условиям эксплуатации на непрерывных прокатных станах. В стационарных многоканальных тензостанциях питание резисторов осуществляют переменным током с последующим усилением модулированного сигнала и детектированием огибающей для выделения полезного сигнала. Такая измерительная схема требует установки дополнительного фильтра низкой частоты для устранения паразитных гармоник. На данном этапе в передатчике применяется усилитель постоянного тока со стабилизатором с малым падением напряжения, что снижает энергопотребление схемы на валу.

Установка первичных преобразователей на вращающемся валу может быть выполнена двумя способами:

датчики наклеиваются на подготовленный участок вала (≈100100 мм); датчики предварительно наклеены на металлическую пластину, которая

приваривается контактной сваркой на вал. Первый способ является более надежным и проверенным на практике,

обеспечивает эксплуатацию датчиков до 1-2 лет, при условии отсутствия замены муфт или всего вала, т.к. муфты обычно заменяются комплектно с валами, чтобы не тратить время на демонтаж зубчатых втулок с горячей посадкой непосредственно в линии стана. Наклейка датчиков на вал до его установки может привести к повреждениям во время монтажа оборудования.

Второй способ является менее опробованным, но более технологичным, т.к. не требует длительной подготовки в тяжелых производственных условиях поверхности валов для наклейки датчиков, которые требуют 6-8 часов времени (в зависимости от температурных условий) для затвердевания клея на простаивающем без нагрузки оборудовании. Этот способ позволяет весь процесс подготовки и наклейки датчиков выполнять заранее в лабораторных условиях при строгом температурном режиме адгезии в печи. Замена вышедших по различным причинам из строя датчиков не потребует длительных остановок оборудования прокатных станов. Контактная сварка пластины с датчиком сокращает время установки до 10-20 мин. Окончательный выбор в пользу одного из способов может быть сделан в процессе эксплуатации датчиков на действующих прокатных станах. При отладке измерителя в целях экономии использовались отечественные резисторы 200 Ом с наклейкой их на вал клеем БФ-2. В дальнейшем при постоянной работе измерителя в составе стационарной системы мониторинга используются фольговые полумосты, клей и герметик фирмы HBM (Германия).

Питание передатчика на валу осуществляется бесконтактным способом (индуктивная схема питания) либо аккумуляторными батареями, время работы которых составляет не менее 90 часов, т.е. около 4 суток. Это позволяет при токе потребления до 30 мА и емкости одной секции батарей до 2700 мА∙ч при 3-х и более секциях использовать прибор с автономным питанием на вращающемся валу в составе стационарных систем мониторинга нагрузок, т.к. межремонтный интервал обычно составляет 10-12 суток. Применение бесконтактного источника питания для передатчика позволит также формировать сигналы углового положения (оборотов) вала для диагностики угловых зазоров и синхронного анализа сигналов вибрации (при наличии акселерометров).

Балансировка мостовой схемы передатчика на валу производится переменным резистором с индикацией установки нулевой точки (мигание) световым индикатором, как на передатчике, так и на приемнике. Настройка диапазона изменения входного сигнала (коэффициента деления) производится на передатчике. В дальнейшем предполагается использовать полудуплексный режим приемо-передатчиков для калибровки и переключения коэффициента деления передатчика со стороны приемника по радиоканалу, т.е. без остановки оборудования в процессе эксплуатации.

Выбор несущей частоты радиоканала производится на передатчике и приемнике одной из двух допускаемых фиксированных частот. В дальнейшем предполагается применение трансиверов с несколькими фиксированными частотными каналами.

Разработка измерителя выполнялась с использованием пакета P-CAD для автоматизированного проектирования электронных схем.

Основные технические характеристики Диапазон измерения нагрузок – не ограничен (устанавливаются дискретные

диапазоны относительной деформации валов при монтаже датчика). Тип первичного датчика – тензорезистор сопротивлением до 200-700 Ом. Потребляемый ток – до 30 мА (ток полумоста и схемы передатчика). Питание датчика на валу – (3…4В) автономное или индуктивное. Вид модуляции сигнала – частотная (FM). Девиация частоты – 15 кГц. Частота АЦП передатчика на валу – 600-750 Гц (зависит от разрядности).

Разрядность цифровых данных – 8-9 бит (зависит от частоты АЦП). Частотный диапазон измеряемого сигнала – до 300 кГц. Скорость передачи данных по радиоканалу – 19-38 Кбит/с (бóльшая скорость

реализуется на более быстродействующей микросхеме трансивера). Расстояние до приемной антенны – до 10-20 м. Допускаемая скорость вращения вала – до 800 об/мин. Допускаемая вибрация на валу – до 100g во всех направлениях. Рабочая температура в зоне измерения -10…+85С. Точность измерения – 0,3…0,4% (оценивается по калибровочной балке). Несущая частота – 433,92 МГц (допускается использование двух частот, в

дальнейшем предполагается многочастотный режим с адресацией каналов). Выходной сигнал – цифровой, аналоговый 0…10 В. Степень защитного исполнения – определяется в процессе отладки измерителя.Габариты передатчика измерителя позволяют устанавливать его на коротких

участках валов (50-100 мм), например, между корпусом редуктора и втулкой муфты. Функции измерителя для работы в стационарной системе Поскольку измеритель разрабатывается для работы в стационарных системах

мониторинга линий привода в качестве средства контроля крутильных нагрузок и диагностики оборудования, то необходима реализация следующих функций:

бесконтактное питание передатчика на валу; автоматическая калибровка нуля тензомоста со стороны приемника; настройка коэффициента усиления передатчика со стороны приемника; измерение оборотов (один или заданное число импульсов за оборот); многоканальная регистрация сигналов приемников (до 64-128 каналов); передача сигналов по длинной линии в стандартном интерфейсе; диагностика угловых зазоров по сигналам с датчиков оборотов; адаптация коэффициентов жесткости модели линии привода.

Дальнейшая отработка цифрового измерителя крутильных моментов предполагает исследование его метрологических характеристик:

определение коэффициентов чувствительности к деформации вала; определение влияния температурных режимов работы датчика; определение ползучести клеящего состава при допустимом токе датчиков; определение сопротивления изоляции датчика от вала; определение эффективности герметизирующих материалов от влаги; определение оптимальных параметров мостовой схемы; определение статической и частотных характеристик измерителя; определение зависимости выходного сигнала от напряжения питания.

В настоящее время выполнено опробование разработанного измерителя и бесконтактной схемы питания на лабораторном стане ИЧМ. В текущем году предполагается опробование нескольких каналов измерения крутильных моментов на прокатных станах ОАО «Запорожсталь».

ВыводыНа основе выполненного анализа существующих бесконтактных средств и

методов измерений крутильных моментов на вращающихся валах установлено следующее.

1) Для условий прокатного производства наиболее приемлемым является тензометрическая схема с передачей цифровых данных по радиоканалу частотно-модулированным сигналом.

2) Разработан цифровой телеметрический измеритель на основе тензодатчиков с бесконтактным питанием, который может применяться не только на прокатных станах, но и в других отраслях промышленности в составе стационарных систем мониторинга нагрузок.

3) Разработанный телеметрический измеритель крутильных колебаний не уступает по основным техническим характеристикам зарубежным аналогам. Установка тензодатчиков на валах может производиться как путем наклейки (стационарные системы), так и контактной сваркой на пластине с датчиком, наклееным в лабораторных условиях (мобильные измерения).

4) Применение измерителя в стационарных системах мониторинга динамических нагрузок в линиях привода прокатных станов позволяет разрабатывать конструктивные и технологические мероприятия по снижению перегрузок.

5) Для расчета остаточного ресурса узлов и деталей по данным измерения крутильных колебаний в отдельных точках линии привода необходимо использование в стационарных системах мониторинга многомассных динамических моделей, особенно в редукторных линиях привода прокатных клетей.

1. Анализ причин аварий оборудования листопрокатных станов и меры по их предупреждению. / Кирсанов А.Ф., Кузерман В.Ф., Виноградов Б.Н. и др.: Обзор. информ. Ин-та "Черметинформация". М., 1985. – 36 с.

2. Мюллер В. Обзор повреждений в приводах прокатных станов // Черные металлы. - 1996, - № 25-26. - С. 9-14.

3. Виды повреждений зубчатых передач металлургических приводов. / Белоха В.В., Рябов Б.П., Бишко М.Ю. и др. // Ин-т «Черметинформация». М. 1990. Обзор. Информ. Сер. «Эксплуатация и ремонт металлургического оборудования». Вып. 2. – 15 с.

4. Патент Украины №79682. Спосiб монiторингу коливань механiчних навантажень у лiнiї головного приводу прокатного стана. / Большаков В.И., Крот П.В. и др. Опубл. 10.07.2007, Бюлл. №10.

5. Мекел Дж., Геропп В., А. Аш. Применение компьютеризованных систем наблюдения на прокатных станах. // Черные металлы, №12, 1999. - С. 53-60.

6. Хон В., Зеелер А., Тимтнер К. Контроль работы главных приводов клетей на современных рельсобалочных станах. // Черные металлы. Апрель 1996. – С.40-45.

7. Аренс М. RoCoCo-модульная система наблюдений за работой прокатных установок // Черные металлы. Март, 1999. - С.18-23.

8. Создание системы мониторинга прокатного оборудования. / Р.К. Вафин, Р.И. Ахмедшин, А.И. Мальцев и др. // АО "Черметинформация". Бюллетень "Черная металлургия", № 12, 2001. - С. 58-61.

9. Автоматизированная система контроля силовых параметров прокатки. / Гребенник В.М., Гордиенко А.В. и др. // Изв. ВУЗов черная металлургия. – 1984. - № 8. – С. 161-164.

10. Жадобин Н.Е. Магнитоупругие преобразователи в судовой автоматике. – Л.:Судостроение, 1985. - 96 с.

11. Гинзбург В.Б. Магнитоупругие датчики. – М.: Энергия, 1970. – 72 с.12. Гуманюк М.Н. Магнитоупругие силоизмерители. – К.: Техника, 1981. – 183 с.13. Губанов Н.Н., Коверкин Ю.Б. Электромеханический эффект и его

использование для контроля деформации кручения валов. // Измерительная техника. №12, - 2005, - С. 42-46.

14.Датчик крутящего момента на ПАВ резонаторе. ОАО «Авангард» http://www.avangard.org/about1.php

15. Научно-технические разработки России. Пьезокерамический торсиограф http://bases.rosinf.ru/shop/DocumentDetails.aspx?documentID=08-089-00&db=ntrr. №08-089-00.

16. Ефремов Л.В. Теория и практика исследований крутильных колебаний силовых установок с применением компьютерных технологий. – С-Пб.: Наука. 2007. – 276 с.

17. Чекмарев А.П., Ольдзиевский С.А. Методы исследования процессов прокатки. М.:Металлургия, 1969, С. 210-237.

18. И.Г. Лачугин. Создание оборудования с внедрением новых технологий в газовой и нефтяной промышленности, ООО ФПК «Космос-Нефть-Газ» г. Воронеж. http://www.congress-gazprom.ru/congress_tomsk/book_2006/neft/lachugin.htm

19. Датчик момента на роторе с механическим приводом (измеритель момента скручивания вала привода) ICS SM 0004 http://www.geotek.ru/ktts.php?Page=d_mom1

20. Измеритель крутящего момента на роторе МС-130М http://expo.cps-rt.ru/page-3907.htm

21. Дудко В.Ф. Измеритель крутящих моментов, передаваемых вращающимся валам. Сб. тр. НИИИНФОРМТЯЖМАШ, Металлургическое оборудование, №3, 1971.

22. Подковырин Е.Я. Бесконтактный измеритель крутящего момента // Труды ИЧМ, 1969, №31, С. 159-161.

23. Крот П.В. Цифровой телеметрический измеритель крутильных колебаний валов на основе микроконтроллеров и методы диагностики износа оборудования прокатных станов. // Тезисы доклада. В кн. «Фундаментальные и прикладные проблемы надежности и диагностики машин и механизмов». Восьмая сессия международной научной школы, ИПМаш РАН, С-Петербург, 22-27 октября, 2007. – С. 256-258.

24. Крот П.В. Автоматизированная система мониторинга динамических нагрузок и диагностики оборудования прокатных станов. // Тезисы доклада. Международная научно-техническая конференция к 100-летию С.З. Юдовича «Машины и пластическая деформация металлов», 20-23 ноября, 2007, С. 47.