ВИБРОУДАРОУСТОЙЧИВЫЕ ВЕСЫ
VIBRATION-IMPACT RESISTANT WEIGHTS

Изобретение относится к весоизмерительной технике и может использоваться в народном хозяйстве, преимущественно в металлургической и горнодобывающей промышленности, а также в машиностроении, для этих областей характерно перемещение значительных грузов кранами.
Известны принятые за прототип ударопрочные весы, содержащие грузоприемную платформу, демпфирующие узлы с тензодатчиками, скоммутированными с весовым терминалом, упорные болты с контргайками с возможностью поворота до контакта с нагруженной грузоприемной платформой (1).
Недостатки прототипа, как показал опыт эксплуатации, заключаются в том, что, защищая тензодатчики от разрушения при значительных ударных нагрузках, он не обеспечивает сохранения заданных метрологических характеристик. При работе в реальных условиях современного интенсивного производства, характерного наличием широкого спектра вибраций и незначительных ударов (толчков), прототип, как и большинство существующих тензометрических весов, не обеспечивает самовозврат тензодатчиков в первоначальное положение, вследствие чего происходит уход нуля и рабочего коэффициента передачи, т.е. снижается реальная эксплуатационная точность. Для самовозврата тензодатчиков необходимо обеспечить платформе весов состояние устойчивого равновесия. В случае механической консервативной системы, какой являются весы, достаточное условие устойчивого равновесия дает теорема Лагранжа-Дирихле, согласно которой равновесие устойчиво, если в положении равновесия потенциальная энергия системы минимальна (2). Примером может служить маятник всегда возвращающийся после небольших возмущений в нижнее положение. Применительно к весам это означает, во-первых, что опора должна быть выше точки приложения усилий, а, во-вторых, должна быть обеспечена физическая возможность возврата, т.е. свободная подвеска. Второе условие в современных моделях весов на тензодатчиках сжатия не выполняется практически никогда, т.к. тензодатчики «заневолены» весом платформы и грузов. Не спасает положения и применение т.н. «неваляшек», т.к. их самовозвратные свойства при работе в группе проявляются только при синфазном расположении, которое никак не обеспечивается конструкцией. При наклоне неваляшек в разные стороны самовозврата не происходит, чем и объясняется, в частности, уход метрологических характеристик в процессе эксплуатации.
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является создание весов, которые обеспечивают стабильно низкую погрешность, высокую ремонтопригодность, устойчивость к вибрационным и ударным нагрузкам.
Технический результат достигается за счет того, что грузоприемная платформа имеет устойчивое положение равновесия, благодаря чему свободно совершает малые колебания с возвратом в первоначальное положение, сохраняя заданные метрологические характеристики.
Существенность технического решения заключается в том, что в виброудароустойчивых весах, содержащих грузоприемную платформу, опорные стойки с тензодатчиками, связанными с весовым терминалом, при этом грузоприемная платформа подвешена на тензодатчиках через тяги типа «карданов подвес» со скалками, тяги выполнены различной длины, а скалки соединены с тягами с помощью центрирующих штифтов.
Предлагаемые виброудароустойчивые весы изображены на фиг.1-5. Виброудароустойчивые весы состоят из узлов встройки (фиг.1), каждый из которых содержит опорную стойку 1, на которой установлен тензодатчик 2, через центрирующие штифты 3 и каленые вставки 4 в тяге типа «карданов подвес» и скалку 5 связанный с упорами 6 грузоприемной платформы 7. На фиг.2 изображен вид узла сверху, из которого видно, что тяга типа «карданов подвес» образована пластинами 8, связанными болтами 9 и гайками 10.
На фиг.3 изображен узел встройки, тензодатчик 2 в котором перевернут на 180°, так что длина линии качания («маятник») меньше, чем в узле по фиг.1. Это, как будет пояснено в описании, имеет важное значение для эффективной работы весов.
На фиг.4 и 5 дана конструкция предлагаемых весов. Грузоприемная платформа 7 опирается на скалки 5 узлов встройки, установленных на общем основании 11. При этом заметим, если узлы встройки с левой (по фиг.4, 5) стороны весов выполнены по фиг.1, то узлы встройки с правой стороны должны быть выполнены по фиг.3.
Весовой терминал на чертежах не показан, т.к. его конструкция и включение не имеют каких-либо особенностей, т.е. общеизвестны.
Работа виброудароустойчивых весов происходит следующим образом. При взвешивании груз краном устанавливают на грузоприемную платформу 7. Через упоры 6 и скалки 5 нагружаются все тяги типа «карданов подвес» и соответственно все тензодатчики 2, суммарный сигнал которых измеряется терминалом (не показан).
При вибрационном воздействии на грузоприемную платформу 7 и отклонениях вследствие этого тяг типа «карданов подвес» от вертикалей постоянно происходит прокачка каленых вставок 4 относительно сферических поверхностей тензодатчиков 2 и центрирующих штифтов 3, восстанавливая вертикальное положение тяг.
п
При ударном воздействии груза на платформу 7 происходят следующие процессы. Пусть груз массой m падает на грузоприемную платформу 7 с высоты h, имея потенциальную энергию Е=mgh. При достижении плоскости платформы 7 потенциальная энергия переходит в кинетическую, которая равна , причем конечная скорость груза .
Из 2-го закона Ньютона следует, что изменение импульса груза в верхнем и нижнем положении равно импульсу силы Δ(mv)=F*Δt или .
Находим отсюда  или .
Таким образом, перегрузка весов F от падения груза весом P=mg зависит от высоты h, с которой падает груз, и времени Δt силового контакта груза и платформы 7. В предлагаемых весах время силового контакта Δt растягивается, т.к. в момент столкновения платформа 7 сдвигается, выбирая свой свободный ход. Кроме того, взвешивание груза, упавшего с высоты или небрежно установленного краном, обычно включает несколько циклов колебаний, пока энергия удара не погасится. Для уменьшения колебаний в разных сторонах -левой и правой - весов (как упоминалось выше при описании весов в статике) применены узлы встройки с разной длиной маятника и, следовательно, разной частотой собственных колебаний. Это исключает возникновение колебаний на собственной частоте весов.
Поэтому предлагаемые весы не нуждаются в применении различного рода демпферов, успешно работая в условиях вибрационных и ударных воздействий и без этого.
Таким образом, технические преимущества предлагаемых виброудароустойчивых весов перед аналогом заключаются в высокой и неизменной во времени точности и стойкости к вибрационным и ударным нагрузкам. В настоящее время изготовлен и успешно испытан первый образец весов, который в ближайшее время будет передан заказчику.
Источники информации
1. Патент РФ №63058 с приоритетом от 18.12.2006 г.
2. Физический энциклопедический словарь. М.: Советская энциклопедия, 1984 г., с.797.