ДАТЧИК НАГРУЗКИ НА ШАРНИРНЫЙ УЗЕЛ КРАНОВОГО ОБОРУДОВАНИЯ

Область техники
Полезная модель относится к измерительной технике и может быть использована в измерительных, сигнальных, регулирующих или управляющих системах, в частности, в системах управления и защиты от перегрузок грузоподъемных кранов.
Уровень техники
Известен датчик нагрузки на шарнирный узел кранового оборудования, содержащий упругий силовоспринимающий элемент, в качестве которого использована ось шарнирного узла кранового оборудования из высокопрочного материала. В материале оси выполнена локальная зона высоких напряжений, оснащенная тензопреобразователем, при общем низком напряженном состоянии оси в целом. Локальная зона высоких напряжений представляет собой два отверстия, выполненных близко друг к другу в торце оси, глубина которых и толщина перемычки между ними выбраны из условия достаточной прочности всей оси и высоких напряжений в указанной перемычке между отверстиями. Тензопреобразователь размещен внутри одного из отверстий (RU 2464220 C1, B66C 13/16, 20.10.2012).
Данный датчик позволяет замерить нагрузку на крюке грузоподъемного крана без снижения прочности оси, но требует повышенной точности в изготовлении элементов шарнирного узла, что можно достигнуть только в производственных условиях на весьма качественном и высокоточном оборудовании. Кроме того, использование данного технического решения возможно только в шарнирных узлах с осью вращения повышенного диаметра, так как крепление тензопреобразователя в отверстии малого диаметра проблематично.
Известен также датчик нагрузки на шарнирный узел кранового оборудования, содержащий упругий силовоспринимающий элемент, в качестве которого использована пустотелая ось шарнирного узла кранового оборудования, имеющая концевые опорные части и расположенную между ними силовоспринимающую часть с закрепленными на ней тензопреобразователями, соединенными в электрический мост. При этом на внешней поверхности силовоспринимающей части упругого элемента выполнены две пары идентичных встречно направленных несквозных выемок, выполненных в виде цилиндрических гнезд одинакового диаметра и глубины и отделенных от полости упругого элемента силоизмерительными перегородками. Пары выемок расположены симметрично относительно вертикальной плоскости симметрии силовоспринимающей части и на каждой перегородке закреплен тензопреобразователь, регистрирующий деформацию сдвига (RU 99473 U1, B66C 23/88, B66C 15/00, 20.11.2010).
Использование данного технического решения приводит к уменьшению запаса прочности оси из-за наличия на ее внешней поверхности выемок в виде цилиндрических гнезд с закрепленными в них тензопреобразователями, а также требует выполнения мероприятий по герметизации этих выемок.
Наиболее близким к предлагаемой полезной модели по совокупности существенных признаков является датчик нагрузки на шарнирный узел кранового оборудования, входящий в состав ограничителя грузоподъемности для грузоподъемных машин и механизмов. Датчик содержит упругий силовоспринимающий элемент, в качестве которого использована пустотелая ось шарнирного узла кранового оборудования, имеющая концевые опорные части и расположенную между ними силовоспринимающую часть с закрепленными на ее внутренней цилиндрической поверхности тензопреобразователями, соединенными в электрический мост (RU 2081809 C1, B66C 23/88, 20.06.1997).
Как показано на прилагаемых к описанию данного изобретения чертежах, для обеспечения достаточного уровня сигнала с тензопреобразователей силовоспринимающий элемент выполнен с двумя проточками на внешней поверхности с расположением тензопреобразователей на его внутренней поверхности в зоне одной из проточек, что уменьшает запас прочности силовоспринимающего элемента.
Раскрытие полезной модели
Задачей, на решение которой направлена заявленная полезная модель, является разработка датчика нагрузки на шарнирный узел кранового оборудования, обеспечивающего заданную точность измерения без уменьшения запаса прочности оси шарнирного узла.
Для решения поставленной задачи предлагается датчик нагрузки на шарнирный узел кранового оборудования, содержащий упругий силовоспринимающий элемент, в качестве которого использована пустотелая ось шарнирного узла кранового оборудования, имеющая концевые опорные части и расположенную между ними силовоспринимающую часть с закрепленными на силовоспринимающем элементе тензопреобразователями, в котором, согласно полезной модели, силовоспринимающий элемент снабжен расположенным в его полости плоским силоизмерительным элементом кольцеобразной формы, неразъемно связанным с силовоспринимающим элементом с помощью двух оппозитно расположенных силопередающих элементов, при этом тензопреобразователи закреплены на внутренней поверхности силоизмерительного элемента.
Решению поставленной задачи служат также частные существенные признаки полезной модели.
Силоизмерительный элемент и силопередающие элементы выполнены за одно целое с силовоспринимающим элементом в виде перегородки в полости силовоспринимающего элемента, в которой выполнены осевое отверстие цилиндрической формы и два сквозных дугообразных отверстия, расположенных на периферии перегородки симметрично относительно оси приложения нагрузки с образованием плоского гибкого силоизмерительного элемента кольцеобразной формы, и двух оппозитно расположенных силопередающих элементов в виде перемычек между дугообразными отверстиями в перегородке силовоспринимающего элемента.
Силоизмерительный элемент расположен в полости силовоспринимающего элемента на равном расстоянии от его концевых опорных частей.
В основу полезной модели положено измерение деформации оси шарнирного узла кранового оборудования с помощью расположенного в ее полости самостоятельного плоского силоизмерительного элемента кольцеобразной формы с закрепленными на его внутренней поверхности тензопреобразователями, неразъемно связанного с силовоспринимающим элементом (осью шарнирного узла) с помощью двух оппозитно расположенных силопередающих элементов. Такое выполнение датчика нагрузки на шарнирный узел кранового оборудования обеспечивает заданную точность измерения без уменьшения запаса прочности оси шарнирного узла.
Выполнение силоизмерительного элемента и силопередающих элементов за одно целое с силовоспринимающим элементом в виде перегородки в силовоспринимающем элементе обеспечивает стабильность измерений.
Расположение силоизмерительного элемента в полости силовоспринимающего элемента на равном расстоянии от его концевых опорных частей обеспечивает повышенный уровень сигнала с тензопреобразователей.
Приведенные далее описание датчика нагрузки на шарнирный узел кранового оборудования и сопровождающие чертежи предназначены только для иллюстрации полезной модели и ни в коем случае не ограничивают объема формулы полезной модели.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 схематически показана ось шарнирного узла кранового оборудования с действующими на нее нагрузками; на фиг. 2 - вид А на силоизмерительный элемент с указанием мест расположения тензопреобразователей.
На приведенных рисунках одни и те же детали обозначены одинаковыми позициями.
Осуществление полезной модели
Предлагаемый датчик нагрузки на шарнирный узел кранового оборудования содержит упругий силовоспринимающий элемент 1, в качестве которого использована, в частности, пустотелая ось шарнирного узла кранового оборудования, имеющая концевые опорные части и расположенную между ними силовоспринимающую часть. Концевые опорные части закрыты с торцов заглушками, изолирующими внутреннюю полость упругого силовоспринимающего элемента от воздействия внешней среды (на чертеже не показаны).
Силовоспринимающий элемент 1 снабжен расположенным в его полости 2 на равном расстоянии от его концевых опорных частей плоским силоизмерительным элементом 3 кольцеобразной формы, связанным с силовоспринимающим элементом 1 с помощью двух оппозитно расположенных силопередающих элементов 4.
Силовоспринимающий элемент 1 и силоизмерительный элемент 3 выполнены за одно целое в виде перегородки в силовоспринимающем элементе 1, в которой выполнены осевое отверстие 5 цилиндрической формы и два сквозных дугообразных отверстия 6, расположенных на периферии перегородки симметрично относительно оси приложения нагрузки P с образованием плоского гибкого силоизмерительного элемента 3 кольцеобразной формы, и двух оппозитно расположенных силопередающих элементов 4 в виде перемычек между дугообразными отверстиями 6 в перегородке силовоспринимающего элемента 1. На цилиндрической поверхности осевого отверстия 5 закреплены тензопреобразователи 7, соединенные в электрический мост.
Пустотелая ось блоков крюковой подвески изготавливается из высококачественной стали, обладающей высокими механическими свойствами (36НХТЮ, 30ХГСА, 40X13 и др.) и обработанной с целью получения специальных свойств, необходимых для использования в качестве упругого силовоспринимащего элемента (температурная стабильность, повторяемость, малый гистерезис и т.д.). В качестве тензопреобразователей могут быть использованы тензорезисторы фирмы "ZEMIC" (КНР) или другие тензорезисторы подобного типа, например, тензорезисторы, выпускаемые ЗАО "Весоизмерительная компания "Тензо-М" (РФ).
Датчик подключается к управляющему устройству грузоподъемного крана с помощью проводной или беспроводной линии связи. Конструкция управляющего устройства не является предметом настоящей полезной модели, так как различные конструкции управляющих устройств на основе современных микроконтроллеров широко описаны в технической литературе. Управляющее устройство в общем случае содержит собственный микроконтроллер, внешнее запоминающее устройство, модуль визуальной индикации, включающий в себя в себя дисплей и световые индикаторы предупредительной и аварийной сигнализации, модуль звуковой сигнализации и регистратор параметров работы крана. К управляющему устройству могут быть подключены также дополнительные датчики параметров крана с помощью общего проводного или беспроводного последовательного интерфейсного канала.
Предлагаемый датчик работает следующим образом.
Усилие P, действующее на силовоспринимающий элемент 1, передается через элементы 4 на силоизмерительный элемент 3. Тензопреобразователи 7 изменяют свое сопротивление, происходит разбаланс моста Уитстона и изменение его выходного сигнала. Сигнал с выхода датчика поступает на вход управляющего устройства. В управляющем устройстве производится сравнение фактической нагрузки на грузозахватном органе крана с паспортной величиной грузоподъемности для данного сочетания значений рабочих параметров крана, и в зависимости от результатов сравнения микроконтроллер управляющего устройства выдает сигнал на исполнительный блок, формирующий разрешение или запрещение движений грузоподъемного крана. Одновременно микроконтроллер выдает сигналы на модуль визуальной индикации, формирующий диагностическое сообщение на дисплее, и модуль звуковой сигнализации.
Предлагаемый датчик может быть выполнен также с цифровым выходом. В этом случае в полости 2 силовоспринимающего элемента 1 размещается блок обработки сигналов с измерительной диагонали тензомоста в виде печатной платы, на которой смонтированы усилитель сигналов, микроконтроллер с энергонезависимым запоминающим устройством и схема согласования с линией связи, преобразующая цифровые сигналы микроконтроллера в цифровой код последовательного интерфейса. Реализация блока обработки сигналов с измерительной диагонали электрического моста может быть произведена по известным правилам и не представляет труда для специалистов в данной области.
Возможно также размещение перегородки в других местах силовоспринимающего элемента, например, в районе одной из его опорных частей.
Промышленная применимость
Предлагаемый датчик может быть изготовлен промышленным способом на приборостроительном предприятии с использованием современных материалов, электронных компонентов и технологий.