Плотников В.С. Геодезические приборы

Подождите немного. Документ загружается.

Из сопоставления зависимостей колебания вертикальной оси из-за

зазоров и ошибок изготовления подшипника для оси нормального типа

и разнесенной опоры кинематического типа видно, что при том же допус-

тимом наклоне оси допуски на изготовление деталей осевой системы

кинематического типа значительно грубее по сравнению с осями нор-

мального типа. Это объясняется тем, что расстояние между опорными

поясками оси нормального типа из конструктивных соображений не мо-

жет быть большим и будет всегда меньше, чем диаметр опорного под-

шипника с разнесенными шариковыми опорами. Поэтому точность оси

на опорном подшипнике с разнесенными шариковыми опорами может

быть весьма высокой.

Шарики комплектуются для каждого подшипника по размеру диа-

метра с отклонением

0,3-0,5

мкм и менее. Допуски на отклонение фор-

мы шариков назначаются того же порядка. Изготовление плоских по-

верхностей беговых дорожек производится с оптической точностью,

отклонения составляют доли мкм. Технологические и эксплуатационные

трудности относятся к обеспечению минимальной последующей дефор-

мации опорных колец. Кольца должны подвергаться старению, их креп-

ление к корпусным деталям конструкции не должно вызывать деформа-

ций. Это особенно относится к опорным подшипникам крупных прибо-

ров,

в которых диаметры опорных колец достигают размера 600 -

800 мм и более. Мнение, что простым увеличением диаметра подшипни-

ка можно обеспечить любую точность оси, ошибочно. Крупные подшип-

ники, как правило, имеют более низкую точность, чем подшипники

небольших геодезических приборов. Поверхность большого по размеру

кольца труднее обработать, так же, как, например, труднее получить хо-

рошее качество поверхности оптического зеркала большого размера, и

существенно труднее обеспечить в последующем отсутствие его деформа-

ций.

Число шариков и размер подшипника определяют из расчета

нагрузок и контактных напряжений, как для любого подшипника. Рав-

номерное распределение шариков по окружности обеспечивается сепа-

ратором. Максимальное число шариков при сепараторе нормальной

конструкции определяют из соотношения

*тах =

>4 —

•

(5.9)

где d - диаметр шарика.

Допуски на разиоразмерность шариков и отклонение от плоскости

опорных поверхностей колец должны быть меньше, чем контактные

упругие деформации шариков и беговых дорожек. Это необходимо для

обеспечения одновременной нагрузки и качения всех шариков, хотя

степень их деформации и будет неодинаковой.

Центрирование осевой системы с разнесенными шариковыми опора-

ми кинематического типа производится центральной короткой осью

с центрирующим пояском.

Проволочные подшипники находят все большее применение

в приборах. В отличие от разнесенной шариковой опоры кинематическо-

го типа, если иметь в виду ее использование в системе вертикальной оси

геодезического прибора, проволочный подшипник не только обеспечи-

вает направление оси, но и одновременно центрирует ее, поэтому допол-

нительной центрирующей оси не требуется, в центре вертикальной оси

остается свободная полость, что весьма важно из конструктивных сооб-

ражений. В проволочном подшипнике (см. рис. 25, а) шарики / перека-

тываются по кольцам 2, изготовленным из стальной проволоки. Кольца

укладывают в кольцевые проточки, обработанные в основании 5 и вра-

щающейся части 3 прибора. Концы проволок имеют плоский стык с за-

зором

0,05-0,3

мм (в зависимости от диаметра подшипника). В конст-

рукции подшипника может быть применен сепаратор 4.

Проволочные подшипники отличаются относительной простотой

изготовления. При их применении значительно уменьшаются габаритные

размеры приборов и облегчается ремонт осевой системы, так как при

износе достаточно заменить проволочные кольца и комплект шариков

и произвести прикатку. Кольцевые проточки, в которые укладывают

проволочные кольца, могут быть обработаны непосредственно в корпус-

ных деталях прибора, причем эти детали могут быть изготовлены из раз-

личных материалов, в том числе из литейных алюминиевых сплавов.

В проволочных подшипниках, кроме шариков, нет ни одной закаленной

детали. Диаметр таких подшипников может изменяться от нескольких

сантиметров до метра и более.

Для увеличения долговечности и грузоподъемности производят

нагартовку беговых дорожек шириной Ъ (см. рис. 25, б) на проволоч-

ных кольцах, в результате которой радиус кривизны беговой дорожки

становится практически равным радиусу г шариков. При значительных

нагрузках, воспринимаемых подшипником, на проволочных кольцах

предварительно прошлифовывают дорожки качения, а затем производят

их нагартовку. Ширина дорожки качения в этом случае Ъ « d/20, где

- диаметр шариков. При малых нагрузках дорожки качения не шли-

фуют. По мере приработки дорожек при нагартовке разъемная часть

подшипника периодически подтягивается путем регулировки про-

кладок.

Точность вращения проволочных подшипников зависит в основном

от точности формы кольцевых проточек и точности формы колец. Она

ниже, чем у подшипников с плоскими опорными поверхностями. В от-

дельных конструкциях подшипников осевое биение не превышает

1,5 мкм, а радиальное 3,5 мкм; начало износа становится заметным по-

сле 5 млн. оборотов подшипника. Проволочные подшипники по сравне-

нию с подшипниками обычной конструкции имеют меньшую грузоподъ-

емность и несколько большие потери на трение, уступают по плавности

вращения, однако они допускают большие внецентренные нагрузки.

Проволочные подшипники применяют в основном при малых окружных

скоростях (до 25 м/с).

Материалом для изготовления проволочных колец служит высоко-

прочная пружинная сталь твердостью НВ

375—540.

Диаметр проволоки

обычно принимают равным d

= cf/4, где d

—

диаметр шарика.

6 - B.C. Плотников

26.

Влияние колебаний температуры, трения, смазки, износа

и деформаций

на

качество работы осевых систем

Кроме ошибок изготовления

на

работу осевых систем оказывают воз-

действие внешние влияния

—

"старение"

износ

процессе эксплу-

атации.

Изменения параметров осевых систем

не

должны выходить

за

преде-

лы допустимых

учетом влияния внешних условий

эксплуатацион-

ных причин. Например, один

из

основных параметров,

от

которого

за-

висит точность работы

оси —

зазор между осью

втулкой, — должен

остаться

заданных пределах

и при

изменениях температуры, дости-

гающих

40—50 °С, а

износ

не

должен превышать установленного уровня

после длительной эксплуатации.

Рассмотрим влияние указанных факторов.

Влияние температуры.

При

изменении температуры

зависимости

от конструкции, материалов сопрягаемых деталей, смазки

начальных

зазоров могут возникнуть: изменение зазоров

и их

переход

разряд

недопустимых; затруднительное вращение частей прибора; заклинива-

ние осевых

пар.

Как указано

в § 3,

геодезические приборы должны работать

раз-

личных климатических условиях,

любое время года

и при их

проекти-

ровании

в ТЗ

задаются значительные колебания температуры

от -40°

до

+50 °С.

Нормальной температурой

при

сборке считают температуру

20 °С,

поэтому расчетное значение изменения температуры

60 °С.

Влияние температуры покажем

на

примере. Если

ось и

втулка изго-

товлены

из

разных материалов,

то при

перепаде температур произойдет

изменение зазора. Например, если

ось

изготовлена

из

стали

(а

12-10"

), а

втулка

—

из

латуни

(а

= 18-10~

), то при D

—

20 мм и

начальном зазоре

0,005

мм

зазор

при

температуре

-40 °С

будет

= -0,002 мм.

Произойдет заклинивание

оси.

Поэтому желательно

иметь

для оси и

втулки одинаковые

или

близкие коэффициенты линей-

ного расширения. Заклинивание осей

или

затрудненное вращение возни-

кает

при

понижении температуры, поэтому целесообразно, хотя

и в

ущерб точности, выбирать

охватывающей детали коэффициент линей-

ного расширения меньше,

чем у

охватываемой.

При

понижении темпера-

туры зазор увеличится,

затрудненное вращение будет

не

следствием

изменения зазора,

следствием сгущения смазки.

Приведем наиболее часто применяемые пары

для

осевых систем

ось

втулка: сталь

ХВГ -

чугун; сталь

ШХ15 -

сталь

ШХ15;

латунь

ЛС59-1

латунь

ЛС59-1;

сталь

ХВГ -

бронза ОС812; сталь

У8А -

сталь

У8А; сплав В95Т

сплав В95Т.

последней паре детали термически

обработаны

оксидированы.

Для обеспечения износоустойчивости необходима высокая твердость

материалов трущихся поверхностей. Требуемую твердость получают

в результате закалки, азотирования, нитрирования.

Следует заметить,

что при

применении

пар из

одинаковых материа-

лов

целью наименьших температурных изменений зазора увеличивается

опасность адгезии (приваривания) трущихся поверхностей,

резуль-

тате которой

эти

поверхности могут разрушиться (глубинное вырывание

материала). Адгезия уменьшается, если детали термически обработаны,

на их

трущиеся поверхности нанесено покрытие (например, оксидная

пленка).

Трение

смазка. Особенности трения

геодезических приборах

определяются

тем, что

вращение

другие перемещения деталей про-

исходят

относительно малыми скоростями,

частыми остановками,

прерывисто.

Это

приводит

разным условиям трения

и его

непосто-

янству.

Во всех случаях, кроме случаев, когда трение является полезным

для работы механизма, стремятся

уменьшению

сил

трения

и их

посто-

янству.

геодезических приборах,

как

показано

в § 23 и 24,

имеет

место

как

трение скольжения,

так и

трение качения.

осевых системах

поверхности трения смазываются. Однако ввиду малых скоростей,

частых перерывов

движении

недостаточной толщины слоя масла

от-

дельные выступы трущихся поверхностей соприкасаются непосредствен-

но,

приводя

условию сухого трения. Таким образом,

геодезических

приборах встречаются условия сухого

жидкостного трения скольжения

и трения качения.

Известно,

что при

сухом трении сила трения

выражается прибли-

женной формулой

N, (5.10)

где

коэффициент сухого трения;

N—

нормальная сила.

В силу отмеченного неопределенного характера трения

геодезиче-

ских приборах необходимо стремиться

жидкостному трению

мень-

шим значениям

F, для

чего следует уменьшать

Коэффициент трения

зависит

от

материалов сопрягаемых деталей

чистоты обработки тру-

щихся поверхностей.

При жидкостном трении сила трения

определяется формулой

Н.П. Петрова

«-

м —'

(5Л,)

где

v -

скорость скольжения;

JJL

коэффициент, зависящий

от

вязкос-

ти масла;

5 -

величина поверхности скольжения;

h —

толщина слоя

смазки;

и \

—

коэффициенты внешнего трения смазки

поверхнос-

ти цапфы

подшипника.

Условия жидкостного трения зависят

от

свойств смазки. Слой

смазки, который может быть очень тонким

(до ^ 0,1 мкм),

можно

представить

из

нескольких слоев молекул: слои молекул, соединивших-

ся

трущимися поверхностями,

слои, находящиеся между этими

двумя контактными слоями.

При

тонком общем слое смазки

местах

неровностей

на

поверхностях слой смазки может разрушаться.

Излишнее масло

не

удерживается

на

контактирующих поверхностях

и стекает

них. Масляная пленка должна кроме маслянистости обладать

еще хорошей адгезией (прилипаемостью)

трущимся поверхностям.

При плохой адгезии даже тонкий слой масла не удерживается

на

поверх-

ности

стекает

нее.

Вязкость масел, учитывая формулу

для

жидкостного трения, жела-

тельно иметь возможно меньшей.

Эти же

соображения связаны

изме-

нением температуры

увеличением вязкости масел

при

понижении тем-

пературы.

Для

геодезических приборов могут применяться животные,

минеральные

смешанные масла. Животные масла

чистом виде

не

при-

меняют из-за высокой температуры застывания (около

—5 °С) и

содер-

жания свободных кислот, приводящих

к их

сгущению

разрушению

через несколько месяцев. Минеральные масла обладают плохой адгезией

к поверхности,

но

застывают

при

низких температурах

(—40, —50 °С).

Для смазки осевых систем применяют

основном смешанные мас-

ла (МПБ-12, веретенное масло,

№

132-08),

Таким образом, использование трения скольжения

геодезических

приборах встречает значительные трудности

при их

проектировании

эксплуатации.

Эти

трудности

значительной степени снимаются приме-

нением шарико-

роликоподшипников,

т.е. при

переходе

трению

качения, всюду,

где это

возможно. Отдельные вопросы расчета шари-

коподшипников изложены

в § 25.

Применение шарикоподшипников

отличается следующими основными преимуществами: постоянством

небольшой величиной силы трения; возможностью применения металлов

с близкими коэффициентами линейного расширения

для

шариков

обоймы; малым влиянием смазки.

Износ.

При

любом виде обработки деталей следы обработки пред-

ставляют собой неровности

виде гребешков. Высота неровностей

регламентируется ГОСТом

задается

чертеже

на

обработку детали.

При приработке цилиндрической

оси и

втулки зазор между ними увели-

чивается

за

счет разрушения

смятия неровностей. Данные опыта пока-

зывают,

что во

время приработки износ достигает величины

от 0,3 до

0,4 R

, а в

течение половины всего времени эксплуатации износ достига-

ет

0,6-0,7 R

Наибольший износ происходит

начале эксплуатации прибора.

Скорость износа зависит

от

величины

. В

зависимости

от

вида обра-

ботки величина

изменяется примерно

от 0,25 до 10

мкм. При тонкой

притирке

= 0,25

мкм, при чистовом шлифовании

= 1,6-3,2

мкм.

Износ зависит

не

только

от

шероховатости поверхности,

но и от

свойств металлов. Известно,

что

детали

из

однородных материалов изна-

шиваются быстрее, чем мягче один

из

материалов, тем второй больше

из-

нашивается. Износ зависит

от

твердости

вязкости материалов. Напри-

мер,

закаленная деталь

из

стали

изнашивается примерно

в 3

раза

меньше,

чем

незакаленная деталь

из

того

же

материала. Наименьший

износ имеют детали

из

сталей

ШХ 15 и

ХВГ.

Из изложенного можно сделать общий вывод:

для

уменьшения

из-

носа необходимо обеспечивать высокую чистоту обработки поверхнос-

тей деталей осевых систем, выбирать материалы, устойчивые против

износа, обеспечивать высокую твердость материалов трущихся поверх-

ностей путем закалки, азотирования, нитрирования.

Деформации. Особое внимание при изготовлении высокоточных осе-

вых систем уделяется устранению внутренних остаточных напряжений

в материале деталей, так как деформации, возникающие от этих напря-

жений, могут значительно снизить точность или даже заклинить систему.

В [7] указывается, что отмечен прогиб вертикальной оси теодолита из

стали ХВГ на 3 мкм, происшедший в течение года.

Напряжения, возникающие при термической обработке, процессы

естественного и искусственного старения для снятия напряжений рас-

сматриваются в соответствующих курсах. Здесь важно обратить внима-

ние на необходимость уменьшения деформаций от остаточных внутрен-

них напряжений. Это особенно относится, как отмечалось в § 25, к опор-

ным кольцам подшипников с разнесенными шариковыми опорами.

Остаточные деформации можно значительно уменьшить за счет выбора

соответствующих материалов и применения естественного и искусствен-

ного старения. Легированные стали меньше изменяют свои размеры,

что является одним из оснований для применения сталей ШХ 15 и ХВГ

для осей высокоточных геодезических приборов.

Естественное старение дает хорошие результаты, но требует вылежи-

вания заготовки в течение нескольких лет. В настоящее время остаточ-

ные напряжения снимают искусственным старением, которое полностью

вытеснило способ естественного старения.

Искусственное старение заключается в термической и промежуточ-

ной механической обработке деталей.

Глава 6

ОРИЕНТИРУЮЩИЕ УСТРОЙСТВА ОТНОСИТЕЛЬНО

ЕСТЕСТВЕННЫХ ПОЛЕЙ ЗЕМЛИ

§ 27. Ориентирование геодезического прибора

относительно естественных полей Земли и наблюдаемого предмета

Проведение измерений геодезическим прибором требует ориентирования

прибора и его отдельных частей относительно естественных полей Земли

и наблюдаемого предмета. Ориентирование относительно естественных

полей Земли связано с необходимостью установки частей прибора в со-

ответствие с заданной геометрической схемой измерений.

Так, например, вертикальная ось теодолита должна быть установле-

на в отвесное положение; горизонтальная ось теодолита должна быть

параллельна плоскости горизонта; визирная линия нивелира должна

занимать горизонтальное положение. Ориентирование частей прибора

относительно отвесной линии осуществляется по отношению к гравита-

ционному полю Земли, когда чувствительным элементом является

жидкостный уровень

или

любое устройство, реагирующее

на

изменение

положения чувствительного элемента относительно гравитационного

поля Земли (например, маятниковые уровни, устройства

для

компен-

сации отклонения визирной линии

от

горизонтального положения).

Для ориентирования геодезического прибора относительно стран

света используется магнитное поле Земли, которое, воздействуя

на

маг-

нитную стрелку, устанавливает

ее

вдоль магнитного меридиана (магнит-

ный компас). Магнитный компас, оборудованный устройством визирова-

ния, называется буссолью. Употребляемые

геодезии буссоли делятся

на

две

группы

—

буссоли

полным лимбом, являющиеся самостоятель-

ными угломерными приборами,

буссоли

для

ориентирования (ориен-

тир-буссоли). Конструкция приборов

магнитной стрелкой проста

в данном учебнике

не

рассматривается.

Порог чувствительности лучших жидкостных уровней, ориентиру-

ющим индексом которых является пузырек уровня, составляет около

0,1 -0,2",

маятниковых

до 0,02" (по

воспроизводимости результатов);

наивысшая реальная точность ориентирования

помощью магнитной

стрелки составляет

±5

—

10', что

вызвано непостоянством угла магнит-

ного склонения

действием различных предметов

материалов, созда-

ющих паразитные поля, влияющие

на

магнитную стрелку.

Ориентирующими устройствами

чувствительным элементом,

на

который воздействует угловая скорость суточного вращения Земли,

являются различные гироскопические устройства (гирокомпасы),

с по-

мощью которых определяется непосредственно направление географи-

ческого меридиана. Точность ориентирования

современных гироскопи-

ческих приборах достигает 5

—10".

Принцип действия

устройство

ги-

роскопических приборов рассматриваются

курсе "Гироскопические

приборы".

Для ориентирования прибора относительно наблюдаемого объекта

применяются различные визирные устройства

следящие системы.

К визирным устройствам относятся механические визиры, оптические

визиры, зрительные трубы. Зрительные трубы, ориентирующим индек-

сом которых является визирная

ось,

описаны

в гл. 7.

Для ориентирования прибора относительно точки, соответствующей

вершине измеряемого угла, используют механические

оптические цент-

риры

отвесы. Оптический центрир принципиально представляет собой

зрительную трубу

небольшим увеличением (порядка

3—4

Принци-

пиальное построение

расчет зрительных труб рассмотрены

в гл. 7.

Устройства,

помощью которых различные части прибора устанав-

ливают

необходимое положение, называются установочными.

К ним

относятся подъемные винты, закрепительные приспособления, наводя-

щие приспособления

для

грубой

точной наводки.

28.

Назначение, особенности расчета

устройство

установочных приспособлений

Установочные приспособления служат

для

придания определенного поло-

жения геодезическому прибору

или его

отдельным частям.

Все

устано-

вочные устройства можно разделить на горизонтирующие, закрепитель-

ные и наводящие.

Горизонтирующие устройства могут быть с подъемными винтами,

шаровой головкой, клиновыми механизмами и т.п. Горизонтирующие

устройства можно разделить на устройства для предварительной (гру-

бой) установки (например, с шаровой головкой) и устройства для точ-

ной установки (с подъемными винтами, клиновым механизмом и т.п.).

Подъемные винты являются неотъемлемой частью подставки прибо-

ра и опираются на его опорную пластину или непосредственно на столик

штатива. С помощью трех подъемных винтов, расположенных относи-

тельно друг друга под углами, равными 120°, можно осуществить приве-

дение вертикальной оси прибора в отвесное положение, используя для

этого уровни, установленные на основании или на верхней части прибора.

Наведение прибора на точку визирования или точная установка лим-

ба на какой-либо определенный отсчет могут осуществляться с помощью

наводящего винта алидады прибора.

Особенность расчета установочных приспособлений в виде подъем-

ных и наводящих винтов связана с тем, что при расчете их конструктив-

ных параметров необходимо исходить из требования согласования мини-

мальной подачи, обеспечиваемой винтовым механизмом, с пределом

разрешения при установке по уровню, при отсчитывании и при визиро-

вании зрительной трубой. Шаг винта и диаметр головки с учетом способ-

ностей пальцев руки ощущать минимальные перемещения должны обес-

печить необходимую минимальную подачу.

Наименьший угол поворота а

т1П

, на который можно повернуть винт

рукой, определяется на основании опытных данных и согласно [7] для

средних размеров головок винта (диаметром

20—50

мм) составляет

0,5-1°.

Очевидно, что угол а

1П

должен обеспечить такое значение мини-

мального угла наклона оси прибора

которое соответствует мини-

мальному смещению пузырька уровня, замечаемому глазом. Минималь-

ное смещение пузырька уровня, замечаемое глазом, можно принять

в 0,1 т, где т - цена деления уровня.

При повороте одного из подъемных винтов на угол а

т1п

вертикаль-

ная ось прибора будет наклоняться, причем осью вращения будет линия,

соединяющая опоры двух других подъемных винтов. Угол |3 наклона

основания прибора, равный углу наклона его вертикальной оси, можно

определить по формуле

= x/L

(6.1)

где х — расстояние, на которое переместится головка винта при поворо-

те ее на угол

;

L - расстояние от подъемного винта до линии вра-

щения.

Так как подъемные винты расположены на расстоянии г от верти-

кальной оси прибора под углом 120° друг к другу, величина L опреде-

лится как L = г + г sin 30° = 1,5 г.

Очевидно, что значение х связано с шагом винта S формулой

«minS/360°. (6.2)

Подставив выражение для х из (6.2) в (6.1) и приняв |3 = Р

т1п

получим соотношение между наименьшими углом наклона оси прибора

и шагом винта S

«min"*'P"

Hmin

360°.

1,5 г

Обозначив e

/360° через К

получим

KSp

Pmin

1,5 г '

откуда

1.5г

„ • (6.3)

Описанным способом можно рассчитать шаг наводящего винта опти-

ческого теодолита. При этом можно считать, что наименьший угол пово-

рота алидады равен ошибке визирования. Тогда формула для вычисле-

ния шага наводящего винта примет вид

виз

Кр"

где R - расстояние от оси вращения алидады до оси наводящего винта,

™виз

—

средняя квадратическая ошибка визирования, равная (см. гл. 7)

Крепление геодезического прибора к штативу осуществляется с по-

мощью полого станового винта, который соединяет подставку прибора

со столиком штатива. Подставка прибора представляет собой тренож-

ник, в центр которого с верхней стороны наглухо укреплена ось или

одна из втулок системы вертикальной оси, а снизу имеется выступ с

нарезкой для станового винта. Вблизи концов треножника расположены

подъемные винты, предназначенные для приведения вертикальной оси

прибора в отвесное положение.

Современные конструкции подъемных винтов обеспечивают их пыле-

и влагозащищенность. Подъемные винты должны плавно вращаться при

действии небольших усилий, что обеспечивается регулировкой их с по-

мощью специальных разрезных гаек. Подъемный винт закрытой конст-

Рис. 26. Подъемный винт закрытой Рис. 27. Штатив со сферической головкой

конструкций с центральной регули»

ровной

рукции с центральной регулировкой представлен на рис. 26. Винт 1 с го-

ловкой 3 защищен кожухом 2.

Кроме вертикальных подъемных винтов, в качестве установочных

приспособлений применяют специальные кулачки с горизонтальными

осями. При этом опорная пластина имеет выступы, которые входят в

спиральные выточки кулачка, при вращении которого прибор переме-

щается. В качестве установочных приспособлений используют также и

эксцентрики [7].

В последнее время в нивелирах с компенсаторами получили распро-

странение конструкции штативов со сферической головкой 2, позволя-

ющей быстро устанавливать при-

бор 1 от руки в необходимое

положение (рис. 27) относительно

штатива 3.

В некоторых конструкциях уг-

ломерных приборов и нивелиров

используют элевационный винт 2

(рис.

28) или подвижный клин, при

помощи которых можно на неболь-

шой угол наклонять зрительную

трубу I в вертикальной плоскости

относительно подставки 3.

Для временного скрепления

верхней части теодолита с его

нижней частью служит закрепитель-

ный винт алидады горизонтального

круга. На рис. 29 показана конст- р^

с>

28.

рукция устройства с центральным

винтом

Нивелир с элсвационным