Модернизация испытательного оборудования: технико-экономическое обоснование

Задача

Классификация технических решений для модернизации испытательного оборудования в соответствии с разным уровнем бюджета.

Решение

Если опустить тот факт, что одной из целей модернизации является ремонт старого и сломанного оборудования, то главной задачей модернизации является автоматизация и увеличение точности измерения и управления. С целью удобства формирования классификации, в качестве объекта исследования будут испытательные универсальные машины:

Для начала разделим модернизацию на два вида:

1. Параллельная интеграция

1.1. Дополняется исходная конструкция параллельно уже имеющемуся оборудованию:

• датчики силы устанавливаются в рабочей зоне, в местах приложения усилия по средствам механических переходных конструкций. Датчики подключаются к блоку сбора данных. Текущее значение усилия отображается на экране монитора или индикаторе усилия блока сбора данных;
• датчики деформации, перемещения устанавливаются вне рабочей. Текущее значение деформации/перемещения отображается на экране монитора или индикаторе блока сбора данных.

1.2. На рабочем месте оператора установлен блок сбора данных. В состав блока входят два измерительных усилителя, которые преобразуют аналоговые сигналы датчиков усилия и деформации в цифровые сигналы. Цифровые сигналы, соответствующие текущему значению усилия, приложенного к образцу и текущему значению удлинения образца, поступают от блока сбора данных в персональный компьютер.

1.3. На персональный компьютер заказчика может быть установлена программа. При этом функции программы могут разниться, в достойном варианте это следующие возможности:

• ручной или автоматический режим сохранения данных;
• запись исходных данных для формирования протокола;
• настройка конфигурации и параметров измеряемых каналов;
• настройка количества отображаемых графиков, вида отображения и функциональной зависимости;
• сохранение начальных настроек в отдельный файл для последующего использования;
• построение таблиц, графиков в реальном масштабе времени в ходе проведения испытаний и после их окончания, а также сохранение данных в текстовом формате;
• набор математических инструментов для выполнения обработки данных (фильтрация, спектральный анализ, аппроксимации, передискретизация, пересчет по формулам);
• расчет механических характеристик (предела пропорциональности, предела упругости, предела текучести, условного предела текучести, модуля Юнга по диаграмме нагружения в полуавтоматическом и автоматическом режимах);
• калибровка каналов измерения; выставление начальных нулевых значений силы и деформации после выборки зазоров и люфтов в сочленениях деталей машины;
• формирование протокола испытания и его печать.

1.4. Погрешность измерения, при этом, зависит от конструктивных решений и мест установки датчиков.

Оценка: данная модернизация (рисунок 1) подразумевает затраты в основном на оборудование с малым процентом инжиниринга, что подразумевает самый низкий бюджет (диапазон предложения от 350000 до 1500000 рублей в зависимости от количества измерительных каналов, точности и качества оборудования). При этом управляющая система и исполнительные механизмы остаются прежними. В случае их износа косметический ремонт может не принести желаемого результата. При испытаниях это может негативно повлиять на кривую нагружения и получение данных, несмотря на точность датчиков. Данный вид модернизации не рекомендуется, но применим в условиях, когда Заказчик имеет ограниченный бюджет в указанном диапазоне и проводить испытание на старом измерительным оборудовании не представляется возможным.

Рис. 1. Параллельная интеграция

Полная интеграции

2.1. Демонтаж приводов, кабелей, датчиков и их утилизация, или на хранение.

2.2. Восстановление изношенных частей конструкции испытательного комплекса.

2.3. Установка приводов, датчиков и их электрическое подключение.

2.4. Подключение к системе автоматизированного управления, системе измерения, силовой электронной аппаратуре. Система измерения и управления состоит из контроллера, модулей аналогового ввода-вывода для подключения датчика давления, силы, перемещения и исполнительных устройств (сервоклапана перепуска, электропривода гидростанции, моторов).

2.5. Установка программного обеспечения на автоматизированном рабочем месте оператора позволяет управлять испытательной машиной в ручном и автоматическом режиме, проводить сбор и обработку данных, отображать диаграмму нагружения образца в реальном времени и производить автоматический расчет основных механических характеристик материала образца с формированием протокола испытания. После проведения работ выдаётся калибровочный сертификат на силоизмерительный канал системы измерения машины.

Оценка: данный вид модернизации (рисунок 2) является оптимальным выбором для крупногабаритного уникального оборудования.

Рис. 2. Полная интеграция

Состав

Для понимания, как формируется бюджет важно расписать, какое оборудование при этом выбирается и почему, а также какие ресурсы вложены.

Модернизация, может включать следующие компоненты:

1. Приводы и механизмы

В основном испытательное оборудование подразделяются на два вида приводных устройств электромеханические и гидравлические.

1.1. Для электромеханических машин это сервопривод с частотным преобразователем.

1.2. Для гидравлических машин это гидроцилиндры, гидромоторы с пропорциональными, или сервоклапанами, насосные станции.

2. Датчики:

2.1. Перемещение;

2.2. Деформация;

2.3. Сила;

2.4. Давление;

2.6. Температура;

2.6. Крутящий момент.

3. Контроллер и система измерения

При выборе контроллера необходимо иметь в виду является ли система машины динамическая, или нет. Под динамической системой подразумевается нагружение образца с частотой от 0,5 Гц и выше (до 50 Гц). При выборе системы измерения нужно ориентироваться на количество каналов, частоту опроса и является ли измеренные параметры параметром функции обратной связи для ПИД регулирования.

4. Автоматизированное рабочее место (АРМ) и программное обеспечение

АРМ оператора состоит из персонального/промышленного компьютера выбор, которого определяется от типа системы (динамика, статика) и сложности программного обеспечения.

5. Вспомогательные механизмы: кронштейны, консоли, концевые выключатели, захваты, печи и климатические камеры.

Принцип выбора

После определения состава, устанавливаем технические параметры для выбора из каталога, или изготовления собственной разработки.

1. Приводы и механизмы

1.1. Электромеханические машины используются для статических и квазидинамических испытаний. При подборе привода для электромеханических машин важно понимать его мощность и крутящий момент. Основные формулы для определения данных параметров и выбора серийной продукции:

Условие: механизм серводвигатель – шарико-винтовая пара (ШВП).

Формула расчёта момента, прикладываемого к валу серводвигателя

ML=(9,8×μ×m×PB)/(2π×i×η) [Нм]

μ – коэффициент трения скольжения

m – масса элементов поступательного движения

PB – шаг резьбы винта

i – передаточное число редуктора

η – КПД механики

Формула расчёта мощности нагрузки

PO=(2π×nM×ML)/60

nM = (ϑL/PB)* i скорость вращения вала двигателя

ϑL – скорость нагрузки [м/мин]

Примечание: для более точного расчёт необходимо учитывать приведённый момент инерции нагрузки к валу серводвигателя.

При выборе серводвигателя из каталога необходимо учитывать следующие условия:

• ML ≤ Номинального момента двигателя;
• (Pa+PO)/2<Мощность двигателя;

где Pa-мощность среводвигателя для обеспечения требуемой динамики системы

• nM ≤ Номинальная скорость вращения двигателя;
• JL ≤ допустимого момента инерции нагрузки.

1.2. Гидравлические машины применяются для статических и динамических испытаний до 50 (400) Гц. Для расчёта гидропривода поступательного движения (гидроцилиндра) и насосной станции применяются следующие формулы:

Формула мощности гидродвигателя возвратно-поступательного
действия (гидроцилиндра) определяют по формуле

Nгдв=FV [кВт]

F – усилие на штоке [кН]

V – скорость движения штока [м/с]

Формула мощности насоса определяют исходя из мощности гидропривода с учётом потерь энергии при её передаче от насоса к гидроприводу

Nнп=kзу*kзс*Nгдв

kзу – коэффициент запаса по усилию 1,1..1,2

kзс – коэффициент запаса по скорости 1,1..1,3

После определения полезной мощности рассчитываем подачу насоса и рабочий объём.

Qн = Nнп/pном - подача [дм3/с]

pном – номинальное давление [МПа]

qн = Nнп/pном*nн – рабочий объём [дм3/об]

nн – частота вращения вала насоса, об/с.

Далее используя эти параметры выбираем из каталога насос, при этом следует учитывать, что насосы, рассчитанные на высокое давление, можно использовать в гидроприводах, с более низким давлением.

2. Датчики

При подборе датчиков из каталога производителя необходимо учитывать следующие основные параметры:

2.1. Рекомендуемые параметры для датчиков силы:

• Диапазон измерения

Определяется исходя из максимально возможной нагрузки и относительной погрешности от измеренного значения.

• Точность измерения

Этот параметр определяет погрешность от измеренного значения, тем самым ограничивая измерительный диапазон.

• Механическое исполнение (S – образные, низкопрофильные, балочные)

Определяется исходя из места установки датчика

2.2. Рекомендуемые параметры для датчиков перемещения

• Диапазон измерения
• Точность измерения
• Исполнение (контактные и бесконтактные)

Примечание: по существу, перечисленные параметры справедливы и для прочих датчиков (давления, температуры, деформации)

3. Контроллер и система измерения

3.1. Низкая точность измерения и позиционирования (от 20% и выше). В случае если требуется модернизация для этих целей в качестве контроллера выбирают персональный компьютер и модули ввода/вывода (АЦП/ЦАП/дискретные сигналы). Частота обработки данных для обратной связи не превышает 100 Гц. Преимущество данной системы простота и стоимость.

3.2. Средняя точность позиционирования (от 10% до 20%).

В случае если требуется надёжность и точность применяются контроллеры автоматизации типа Овен, LCard, Fastwell.

При увеличении скорости движения точность позиционирования падает по экспоненте.

3.3. Точность позиционирования высокая (до 5%)

В случае если требуется высокая точность позиционирования и высокой скорости движения (динамические или квазидинамическеи процессы) применяются контроллеры с шиной ПЛИС.

Возможности ПЛИС:

ПЛИС (Программируемая логическая интегральная схема) или FPGA позволяет производить сбор и обработку информации с модулей ввода/вывода параллельно, то есть если в описании на модуль указанна частота дискретизации (число опросов) fд = 50 КГц и число каналов n = 4 это означает, что каждый канал опрашивается 50000 раз в секунду. Частота работы ПЛИС составляет 40 МГц. ПЛИС содержит 1, 2 или 3 миллиона логических вентилей. Ниже приведена таблица с примерным объемом, который занимают различные функции в ПЛИС с одним миллионом вентилей.

ПЛИС может работать только с целыми числами имеющие 1, 8,16, 32 и 64 разряда. Данные, считанные с модуля, округляются до ближайшего большего разряда. Например, разрядность Аналогово-Цифрового преобразователя (АЦП) модуля 24, но в ПЛИСе данные хранятся в виде 32 разрядных чисел.

Обмен данных между контроллером и ПЛИС происходит по шине, пропускная способность которой составляет 50 Мбит/сек.

Данная скорость опроса, обработки и генерации данных позволяют эффективно формировать коэффициент обратной связи.

Недостаток данных решений – высокая стоимость.

4. АРМ Оператора

Персональный компьютер (ПК) со специализированным программным обеспечением (ПО). В данном пункте стоит обратить внимание на сложность ПО:

• Средняя сложность

Реализовано управление и измерение, ограниченные возможности обработки и сохранения данных

• Высокая сложность

Универсальное ПО, управление с функцией обратной связи (ПИД), высокочастотное измерение, обработка (фильтрация), анализ данных и вывод отчётов.

Классификация

Для построения классификации, были выбраны в качестве основы испытательные разрывные машины. Данный выбор обусловлен широким распространением и спросом на их модернизацию.

Классификация построена в форме таблицы.

Таблица

Заключение

Чтобы принять решение требуется ли модернизация испытательного оборудования, или нет, рекомендуется следовать следующим шагам:

1. Оценить какие задачи требуется выполнять на оборудовании: исследования, приёмо-сдаточные, ресурсные испытания.
2. Оценить возможности бюджета (смотри таблицу).
3. Запросить новое оборудование с аналогичными характеристиками и модернизацию, исходя из выбранного типа (смотри таблицу) и написанного технического задания. Провести сравнительный анализ.
4. Учесть метрологическое обеспечение того, или иного решения (Аттестация и наличие оборудования в реестре средств измерений).

Пройдя все шаги, нужно понимать, что, приобретая новое оборудование, вы получаете готовое отлаженное решение, но оно всегда дороже (при комбинированном типе модернизация разница невелика: 5-10%) и не всегда удовлетворяет потребности в программной части, особенно сейчас, когда выбора стало меньше.

В свою очередь, при проведении модернизации имеет место быть опытно-конструкторская работа, отладка, которой может занять достаточно большое время, при этом учитываются все пожелания заказчика.

1. Расчёт и подбор серводвигателя для шарико-винтовой пары [Электронный ресурс]. – Режим доступа: URL: https://www.cospa.ru/news/publications/raschet-i-podbor-servodvigatelya-dlya-shariko-vintovoy-pary/
2. Основы гидравлики и гидропривода: Учебное пособие. Сост. Н.С. Галдин. - Омск СибАДИ, 2006.
3. Расчет объемного гидропривода мобильных машин. Методические указания. Сост. Н.С. Галдин. - Омск СибАДИ, 2008.
4. Модернизация испытательных машин [Электронный ресурс]. – Режим доступа: URL: http://www.mix-eng.ru/modernizaciya/