Тахометр

Тахометр, прибор, служащий для измерения числа об/м. угловой скорости непрерыв-новращающегося тела. Различают Т. центробежные, часовые, вибрационные, жидкостные, магнитные, электромагнитные и др. Для измерения и записи изменений угловой скорости применяют тахо графы. Равномерное и не очень быстрое вращение тел (до 200 об/м.) мож

но измерять простым счетом; сделав на вращающемся теле метку, отсчитывают, сколько раз эта метка проходит мимо неподвижного тела в единицу времени; время лучше всего отсчитывать по секундомеру. Если число оборотов значительно, но вращение равномерно в течение нескольких минут, применяют обыкновенный счетчик оборотов вместе с часами или секундомером. На фигуре 1 изображен карманный счетчик оборотов Record на 4 цифры, то есть 9 999 оборотов." На фигуре 2 изображен ручной Т. фирмы Морелль (Лейпциг), показывающий мгновенное число оборотов и его изменения, устроенный по принципу пружинных центробежных Т.

Принцип действия центробежного Т. следующий: кольцевой груз а (фигура 3), могущий вращаться вокруг оси б, удерживается в нак тонном положении спиральной пружиной в Ось б

Фигура 2.

укреплена на главном валу г, соединяемом с валом, обороты которого подлежат измерению. При вращении главного вала г кольцевой груз а стремится повернуться вокруг оси б в направлении, указанном стрелкой. Вследствие изгиба спиральной пружины в каждой величине центробежной силы (количеству оборотов) будет соответствовать нек-рое определенное положение равновесия кольцевого груза. Перемещение кольцевого груза с помощью тяги 0 передается скользящей на шпонке по главному валу г муфточке е в выточку ее входит хвостовик ж сектора з, к-рый вращает стрелку и.

Теория центробежного Т. Вращающий момент М_ц центробежной силы кольцевого груза, вращающегося с угловой скоростью ω относительно координат х, у, указанных на фигуре 3, выразится так:

М_ц=J* <я²ху dm, (1)

где dm—бесконечно малая масса кольца с координатами х, у. При переходе к координатам х₁₉ У i (где О-Х! и ΟΥι—главные оси инерции кольца), повернутым относительно координат х, у на угол а, мы получим:

М_ц=J* ω² (х_г COS а — у_х Sin а) ·

• (х_х sin а + у_х cos a) dm, (2)

что после преобразования даст:

Мц— J ω² [sin a cos а {х —у ) +

+ ^xiVi(cos² a — sin² a)] dm. (3)

Т. к. центробежный момент относительно двух плоскостей симметрии, проходящих через ось OZ, равен нулю, то

J ω² х_ху_х (cos² а — sin² a) dm — 0 (4)

и так как

J* (A Vl) dm —

т.е. равен разности моментов инерции относительно плоскостей Y₁Z_l и XiZ_l9 и т. к.

Т —I =1—1

^Lx_lz_l ^Ly₁

то окончательное выражение для момента центробежной силы будет:

М_ц=ω² sin a COS a (ly^ —I_XJ =

= Sin 2α (I у- Ι_Χί). (5)

Противодействующий момент пружины будет: М_п= М₀а,

где М₀—уд. момент пружины (то есть момент, соответствующий скручиванию пружины на угловую единицу). Т. о. ур-ие для шкалы без учета влияния передаточного механизма будет:

ω² sin 2α (ly_x - Ι_Χι)=м₀ а.

Т. о. шкала Т. должна получиться квадратичная с большей или меньшей компенсацией этой квадратичной зависимости множителем si η 2α. Как оказывается, диапазон углова можно выбрать т. о, что шкала будет значительно приближена к равномерной. Условие возможной равномерности и требование достаточной крупности делений шкалы Т. заставляют использовать для целей измерения лишь определенный диапазон угловых скоростей главного шпинделя Т., причем пределы их относятся обычно, как 1 : 4. Для расширения пределов применимости Т. в целом его снабжают коробкой скоростей, соответственным образом ускоряющей или замедляющей измеряемую скорость вращения. Так например, Т., изображенный на фигуре 2, снабжен четырехступенной коробкой скоростей, переключаемой кнопкой и позволяющей изменять скорости я пределах: 30—120; 100—400; 300—1 200; 1 000—4 000 об/м. Неудобством этой системы является возможность порчи Т. при измерении скорости, на много превышаю-

щей предельную скорость, на к-рую поставлена кнопка. От этого недостатка свободен выпущенный фирмой д-ра Горн в 1929 г. ручной Т. с коробкой на 6 скоростей: *25—100; 75—300; 250—1 000; 750—3 000; 2 500—10 000 и 7 500— 30 000; при этом переход от одной скорости к

Фигура 4.

другой, а именно от наибольших к меньшим, происходит автоматически силой нажатия руки на керн Т.до достижения требуемой области скоростей. Способ действия этой коробки скоростей ясен из фигура 4, причем существенным для правильной работы является неравная жесткость обеих пружин а и б, а именно: а слабее, чем б. При конструировании Т. должное внимание должен быть уделено их устойчивости и чувствительно ти; желательны равноотстоящие деления циферблата. Испытания двухпружинных центробежных Т. Рейнского завода показали, что в отношении чувствительности и правильности показаний они удовлетворяют всем требованиям, но что изменения t° среды вызывают удлинение пружины и искажают показания; так, при изменении от 15 до 50° разница показаний ручного Т. в области низких оборотов (300) составляет 6%, в области высоких оборотов (1 200)—всего 0,17% (исследования Гофмана).

Часовые Т., построенные на принципе соединения обыкновенного счетчика оборотов с часовым механизмом, включающим и выключающим механизм простого счетчика через определенные равные промежутки времени, дают равномерную шкалу в любых пределах. Конструктивное выполнение Т. сист. «Тель» (фигура 5) следующее: вал а вращается с постоянной скоростью (один оборот в 3 ск.) с помощью часового механизма б, в, г. Вращение этому валу сообщается от вала б, приводимого в движение через наконечник е от испытуемого вала через фрикционную пружинную муфточку, заключенную в цилиндре шестеренки ж.

Т. о. при более быстром вращении вала д, чем это допускается часовым механизмом, фрикционная муфта в шестерне проскальзывает, и вал а сохраняет постоянную скорость независимо от скорости вращения вала д. На валу а имеются зубчатые рейки з, и, которые по пазам могут скользить вдоль вала а и возвращаются в первоначальное положение с помощью спиральных пружинок к. С одной стороны вала к зубчатым рейкам прижимается зубчатый валик л, к-рый приводится во вращение через шестерни м валом д и т. о. имеет скорость, пропорциональную измеряемым оборотам. С другой стороны к валу а (на расстоянии 120° от зубчатого валика л) прижимается второй неподвижный зубчатый валик н. Вследствие вращения вала а зубчатый валик л остается соединенным с каждой рейкой з, и только в течение одной трети оборота вала, т. e. 1 ск., и т. о. каждая рейка (сектор) поднимается по очередно валиком л на высоту, пропорциональную числу оборотов вала д за этот промежуток времени. Поднятый сектор, уходя из-под валика л, подходит под валик и, к-рый на тот же промежуток времени (^А/₃ оборота вала а) задерживает этот сектор на той высоте, на которой он был в момент расцепления с валиком л. В течение последней од^ ной трети оборота поднятый сектор пружиной к возвращается в начальное положение. Зубчатые секторы поднимают кольцо о, к к-рому прикреплена зубчатая рейка п, вращающая шестеренку р с насаженной на той же оси стрелкой с. Т. о. этот Т. показывает среднюю скорость испытуемого вала за промежуток времени в V₃ оборота вала а. Вследствие того что точность работы этого Т. зависит от точности работы часового механизма, поддерживающего постоянную скорость вращения вала а, которая м. б. легко сделана достаточно большой, эти Т. при доста

25-100 ^о6Л*

точно мелких зубцах деталей з, ъс, л работают точно. Неудобство их заключается в том, что они при изменении угловой скорости дают показания скачками. ⁷ Кроме того в изготовлении эти тахометры достаточно сложны.

Фрикционные Т. Принцип действия следующий: вал а (фигура 6), на к-рый передают измеряемые обороты через фрикционное ί сцепление б (такое же,

как и в Т. сист. «Тель»), вращает конус в (покрытый обыкновенно резиной) с постоянной угловой скоростью, поддерживаемой цен-

Фигура 5.

тробежным регулятором г. Кроме того вал а через жестко соединенные конич. зубчатки д и е передает вращение на вал ж, снабженный винтовой нарезкой. На валу Ью скользит фрикционное колесо з, втулка которого снабжена винтовой нарезкой, соответствующей имеющейся на валу ж. Фрикционное колесо з прижимается к поверхности конуса в и т. о. его окружная скорость равна окружной скорости той части конусной поверхности, с которой она соприкасается. Если при этом угловая скорость фрикционного колеса не равна угловой скорости вала ж, то вследствие наличия винтовой нарезки оно начинает перемещаться по этому валу до тех пор, пока не дойдет до той части поверхности конуса, окружная скорость которой такова, что при ней угловая скорость фрикционного колеса з сравняется с угловой скоростью вала эю. Т. к. последний имеет угловую скорость, пропорциональную измеряемой, угловая яге скорость конуса постоянная, то каждому числу

измеряемых об/м. будет соответствовать определенное положение фрикционного колеса з на валу ж. Перемещение фрикционного колеса з с помощью вилки и передается зубчатой рейке к у которая вращает трибку л со стрелкой м. Если мы обозначим через Ω постоянную угловую скорость конуса в, через I—расстояние точки касания фрикционного колеса з от вершины конуса в, а—угол образующей конуса с его осью, ω—измеряемую угловую скорость и через г₀, г_г и г₂—радиусы конич. зубчаток д и е и фрикционного колеса з, то мы получим следующее ур-ие:

ω=Ш sin а. г₀г₂

Пределы измеряемых оборотов тогда будут:

^max

^ωmin

г₀г₂

Ω(1

I min) Sin

rjxel_max—длина всей образующей конуса, l_min— то минимальное расстояние от вершины конуса, на к-ром может осуществляться сцепление поверхности конуса с фрикционным колесом. Минимальные обороты кроме того еще зависят от передачи с главного вала на фрикционное сцепление с конусом. Точность показаний этого Т. зависит от точности сохранения конусом постоянства оборотов.

Вибрационные Т. сист. Фрама (фигура 7) представляют собой набор тонких листовых стальных пружинок с коротким загибом на конце, к к-рому припаяно немного припоя; длина пружинок и вес припоя подбираются так,

чтобы каждая пружинка имела точно заданное число собственных колебаний в мин. Набор таких пружинок, смонтированных в одну линию на общей подставке, с соответственно градуированным числом колебаний прикрепляется к испытуемой машине; вследствие того что машина дрожит в такт с числом оборотов, пружинки будут совершать вынужденные колебания, частота которых равна числу оборотов. Из теории вынуященных

Фигура 7.

колебаний (смотрите Колебательное движение) известно, что значительную амплитуду получит только та пружинка, частота колебаний которой равна частоте раскачивающей силы, то есть для которой наблюдается р е зона н с; на фигуре 7 изображен вид такого Т. при скорости машины в 3 005 об/м. Если на валу машины укрепить прерыватель тока, а подставку пружинок поставить возле электромагнита, питаемого этим током, то можем производить измерение числа оборотов на расстоянии.

Жидкости ыеТ. используют центробежную силу какой-либо жидкости, заключенной в стеклянный сосуд, вращающийся вокруг вертикальной оси. Как известно из гидравлики, поверхность уровня принимает тогда форму параболоида вращения; если сосуд цилиндрический, то вершина параболоида опускается на высоту, пропорциональную квадрату угловой скорости вращения; деления расположены неравномерно и сближаются по мере увеличения угловой скорости; показания грубые. Более точны показания двухжидкостных тахометров, однако практического распространения и они не получили вследствие ломкости стекла и его загрязнения.

Магнитные Т. (фигура 8) состоят из вращающихся постоянного колоколообразного магнита а и сердечника б, между к-рыми имеется небольшое кольцевое пространство, в которое вставлен полый алюминиевый цилиндрик в, удерживаемый от вращений спиральной пру-

ясинкой г. Вращаю-

^ щееся магнитное поле вызывает в цилин-’ дрике индукционные токи, стремящиеся увлечь цилиндрик во вращение с силой, момент которой прямо пропорционален числу оборотов; к цилиндрику прикреплена стрелка или на нем нанесены деления, показывающие на циферблате число об/м. испытуемого вала; деления на циферблате у этих Т. равноотстоящие. Испытания Гофмана показали, что магнитные Т. очень чувствительны и что влияние t° среды на пружинку значительно.

Электромагнитные Т. позволяют производить отсчет числа оборотов на расстоянии и состоят из маленькой динамомашинки переменного тока, приводимой во вращение тем валом, скорость которого надо измерить. Число оборотов м. б. измерено или по напряжению получаемого тока, указываемому вольтметром, или по частоте—набором вибрационных пружинок Фрама (Гартман и Браун). Для измерения очень высоких чисел оборотов Альден разработал новый метод, основанный на сравнении высоты звука, получаемого в телефоне от этого тока, с высотой звука, получаемого $ том же телефоне через посредство катодных ламп; метод годится для скоростей в пределах 10 000— 100 000 об/м. В тех случаях, когда желательно измерять скорость удаленных валов и применение гибких валов затруднительно, значительное удобство представляют собою дистанционные" пневматические Т. фирмы «Аскания» (Германия). Принцип их действия следующий: в не-• подвижном кожухе а (фигура 9) вращается камера б с двумя цилиндрами в иг.

rWi

Фигура 9.

С одной стороныка-меры б имеется на¹ конечник д, к которому присоединяется вал, скорость которого подлежит измерению. В цилиндрах виг ходят поршни е воздушного насоса, к-рый подает воздух, всасываемый через отверстие ж, по трубкам з в камеру б. Из последней воздух поступает через трубку и в цилиндрич. камеру к, в которой имеется свободный поршенек л. Давление воздуха, поступающего через трубку и, стремится переместить поршенек л по направлению к центру и при этом открыть отверстие м, через к-рое накачиваемый насосом воздух может вытекать. Центробежная же сила стремится переместить поршенек л к периферии и т. о. перекрыть отверстие м. Вследствие этого в камере к, а вместе с тем и в камере б устанавливается давление, пропорциональное центробежной силе поршенька л. Зависимость в данном случае следующая:

т<ь²г

Р=— ’

где р—давление, т—масса поршенька л, ω—угловая скорость камеры б, г—радиус вращения ц. т. поршенька л и q—площадь &го. Через наконечник н давление, создаваемое т. о. в камере б приемника, передается через соединительную трубку к измерителю, являющемуся обыкновенным манометром со шкалой, разградуи-рованной непосредственно на об/м.

Тахографы, или самопишущие Т., служат для регистрации медленных изменений числа оборотов, например рудничных подъемных машин. Совершенно иную цель преследуют прецизионные тахографы, служащие для записи изменений мгновенной угловой скорости, происходящих быстро друг за другом, например в течение одного оборота машины. Наиболее прост центробежный пружинный тахограф д-ра Горна; от вала, изменения скорости которого должны быть записаны, приводится во вращение со средней скоростью 500 об/м. горизонтальный вал тахографа, к втулке которого прикреплена поперечина, несущая шарнирно две симметрично расположенные гири; центробежные силы гирь уравновешиваются винтовой стальной пружиной, а отклонения гирь перелаются шарнирными сочленениями и рычагами и записываются на бесконечной бумажной ленте. Если поставлена самая тугая пружина, то можно регистрировать изменения числа оборотов до ±12% от среднего. Эта пружина, или пружина средней жесткости (±6%), применяется при изучении процесса регулирования центробежных регуляторов. Для измерения неравномерности вращения маховых колес применяется самая слабая пружина (±3%). Т. к. на степень точности показаний тахографа сист. Горна влияет упругость передачи к валику (ремень или лента), а также период собственных колебаний гирь с пружинами, то не прекраща-i ются попытки построить более точный прибор i для измерения неравномерности вращения в течение одного оборота. Из них оформление до степени заводского измерительного инструмента получил шорзиограф (смотрите) д-ра Гейгера, записывающий не самую угловую скорость, а опережения и отставания машины по сравнению с маховиком, движущимся почти равномерно с той же средней скоростью, что и машина; идея такого прибора предложена еще в 1867 году проф. Гартигом.

Стробоскопии. метод также дает только опережения и отставания и требует прекрасной фотографии, техники. Электроизмерители ко-эфициента неравномерности пока имеют только лабораторное значение, но по методике им принадлежит будущее. После неудачного ундо-графа д-ра Мадера д-ру Риму удалось построить лабораторный прибор с фотографической записью, давший прекрасные результаты.Принцип, использованный им, тот же, что и положенный в основу магнитных Т., но вместо спиральной пружины взята тонкая стальная проволока, расположенная на самой оси качания алюминиевого цилиндрика, а вместо стрелки— луч света, отраженный от крошечного тоненького серебряного зеркальца; благодаря этому собственный период колебания цилиндрика ничтожно мал по сравнению с периодом изменения угловой скорости. Рунге прикрепил к маховику прерыватель постоянного тока и, записывая. перерывы на вращающемся равномерно барабане, определял время поворота маховика на одинаковые углы; диференцирование кривой расстояний дает кривую изменения угловых скоростей. Чернышев и Шулейкин дали пример применения осциллографа Дудделя, фотографирующего изменения напряжения переменного тока, для изучения движения машин.

Лит.: Общего характера: Грамберг А., Технические измерения при испытаниях машин и контроле их в производстве, т. 1, 1927; Gramberg A., Maschinen-technisches Versuchswesen, 6 Aufl., В. 1, В., 1933; Пружинные тахометры и испытание: Станкевич, Исследование одного из типов тахометра, «ВИ», 1929; W a g е-n е г, Geschwindigkeitsmesser, «Z. d. VDI», 1909; Η ο f f-ш a η n, Prufung y. Geschwindigkeitsmessern, «Forschungs-arbeiten», 1911, 100; Wilke, Untersuchunger) uber Flieh-krafttachometer nach dem Drehpendelprinzip, «Z. d. VDI», 1918, p. 801—809 u. 829—835; Horn, Handtachometer, ibid., 1929, p. 347—348; Магнитные T.: Η о r n, Wirbel-stromtachometer mit axialer Magnetverschiebung, ibid., 1930, p. 515—17, 584; A 1 d e n, «Machinery», 1925, Dec., p. 286; Вибрационные тахометры: F r a ii m, «Z. d. VDI», 1904, p. 1580; Тахографы. Метод камертона: Ransomes, The Cyclical Velocity Variations of Steam a. Other Engines, «Minutes cf Proceedings of the Institution of Civil Engineers», 1889, v. 98, p. 357—368; Ransomes, Cyclometer, «Engineering», 1892, v. 53, p. 23; G 6 p e 1, Die Bestimmung d. Ungleichformigkeitsgrades rotierender Maschinen durch das Stimmgabelverfahren, «Z. d. VDI», 1900, p. 1359, 1431; Стробоскопический метод: Cornu, Methode optique, permettant de determiner la loi de variations periodiques de la vitesse d’un mobile en rotation,«Bull, de la Societe Internationale des electrici ens», P., 1901, p. 519—529; WagnerG., Apparat zur strobographischen Aufzeichnung von Pendeldiagrammen, «Forschungsarbei-ten», B., 1906, 33; Тахограф Горна: «Z. d. VDI», 1912, p. 220; Торзиограф: Rosenkranz, Instrument zur Mes-sung d. Ungleichf6rmigkeitsgrades v. Dampfmaschinen u. Transmissionen von Prof. Hartig, «Z. d. *7DI», 1867,

р. 69—74; 6 e i g er J., Der Torsiograph, ein neues Instrument zur Untersuchung von Wellen, ibid., 1916, p. 811, 861; Geiger J., Mechanische Schwingungen u ihre Mes&ung, B., 1927; Электроизмерит. методы: M a d e r, Der Resonanz-Undograph, ein Mittel zur Messung d. Winkel-abweichung, «Dinglers Polytechnisches Journal», B., 1909, p. 529—533, 549—553, 567—571, 581—583, 597—600;

R i e h m W., Ueber die experimented Bestimmung d. Ungleichformigkeitsgrades, «Forschungsarbeiten», В., 19П, 137, «Z. d. VDI», 1913, p. 1101—1108; Реферат, «Вести, об-ва технологов», 1913, стр. 891—892; Runge, Die experimented Bestimmung d. Ungleichformigkeitsgrades u. der Winkelabweichung v. Kolbenmaschinen, «Z. d. VDI», 1915, p. 664—669, 687—692 (указана литература по «ETZ» с 1900 по 1911); Bonin Н., Die experimentel-le Bestimmung des Ungleichformigkeitsgrades, «Forschungsarbeiten», Berlin, 1914, 165, «Z. d. VDI», 1914, p. 1562. К. Рерих и С. Ноздровский.