Установка для пространственного динамометрирования навесных сельскохозяйственных машин и орудий
INSTALLATION FOR SPATIAL DYNAMOMETER OF HINGED AGRICULTURAL MACHINES AND TOOLS

Изобретение относится к области сельскохозяйственного машиностроения, в частности к конструкциям измерительных приборов для изучения нагруженности рабочих органов почвообрабатывающих орудий.
Известно устройство для динамометрирования рабочих органов почвообрабатывающих орудий, содержащее силоизмерительный элемент, элементы крепления и рабочий орган со стойкой, в котором на силоизмерительном элементе расположены тензодатчики сопротивления, а сам силоизмерительный элемент охватывает стойку рабочего органа (а.с. СССР №974163, G01L 5/16, опубл. 30.06.92).
Однако практическое использование данного устройства сложно в эксплуатации, поскольку требует специального тарировочного оборудования, обеспечивающего раздельную калибровку тензодатчиков сопротивления.
Известна также установка для объемного тензометрирования (Патент 2566398 RU С1) имеет измерительные звенья, устройства (кронштейны) для крепления измерительных звеньев и рабочий орган со стойкой, при этом вертикально расположенное измерительное звено присоединено к верхней грани стойки с возможностью восприятия деформаций сжатия и растяжения. Все остальные измерительные звенья установлены в горизонтальных плоскостях с возможностью восприятия деформаций сжатия, причем все они точечно уперты с разных сторон в грани стойки и обеспечивают неподвижное положение измерительных звеньев и стойки с рабочим органом в процессе проведения измерений. Помимо этого предлагаемое устройство имеет, по меньшей мере, шесть измерительных звеньев по числу измеряемых переменных, которые расположены в направлении действия внешних нагрузок.
Недостаток известного устройства заключается в том, что измерительные звенья жестко прикреплены к кронштейнам, в результате в этих точках будут действовать реакции, перпендикулярные продольным осям измерительных звеньев, а они не учтены в уравнениях статики, Кроме того, в процессе работы деформация ведущих колес и опорного основания приводит к повороту трактора, а вместе с ним и рабочего органа с.-х. орудия, измерительные звенья отклоняются от горизонтального и вертикального положений, что обуславливает ошибки при определении усилия со стороны орудия на трактор.
Наиболее близким аналогом, принятым за прототип, является установка для объемного тензометрирования, включающая две рамки, кронштейны крепления к навесной системе, механизм крепления рабочего органа, шесть тяг, на каждой из которых установлены измерительные звенья, отличающаяся тем, что рамки соединены при помощи трех параллельных тяг и трех тяг-раскосов, концы которых закреплены посредством шаровых шарниров. Для обеспечения повышенной жесткости системы точки крепления параллельных тяг к рамкам (центры шаровых шарниров) расположены в вершинах равнобедренных треугольников, вписанных в боковые грани куба; одна тяга-раскос является диагональю основания куба, две другие - диагоналями передней и задней граней куба, причем в передней проекции куба они пересекаются; обе точки крепления тяги-раскоса, расположенной в основании куба, и нижние точки крепления тяг-раскосов передней и задней граней куба имеют общую горизонтальную ось крепления и максимально сближены с точками крепления параллельных тяг, расположенных в основании куба (патент 2498245 РФ, G01L 5/13. Установка для объемного тензометрирования. Заявл. 03.05.2012, опубл. 10.11.2013).
Известное устройство обеспечивает достоверность измерения при объемном динамометрировании рабочих органов почвообрабатывающих машин и орудий, однако характеризуется сложностью конструкции и погрешностью измерения при работе тракторного агрегата. Последняя обусловлена следующими причинами.
В
Г
0
0
1
Одной из составляющих тягового баланса трактора является горизонтальная составляющая тягового усилия со стороны сельскохозяйственного орудия и, если орудие навесное и присоединяется с помощью трех тяг, то его величина будет равна сумме горизонтальных составляющих, действующих со стороны тяг на остов трактора (Р, Р). Обычно для определения горизонтальных составляющих применяют тензометрические пальцы, которые по концам прикрепляют к переходной плите, а к середине пальцев присоединятся тяги навески трактора. При этом точка приложения силы от тяги на палец в процессе работы может перемещаться по длине пальца (размер f фиг. 6). Горизонтальные составляющие равны произведению величин усилий, действующих вдоль них, умноженным на косинус угла между горизонтальной и продольной осью тяги. Однако в процессе работа агрегата величины углов (α, β) из-за деформаций шин и упругих элементов мостов меняются. Так, если в первоначальный момент времени угол между верхней тягой и горизонталью будет α, а нижняя тяга горизонтальна (β=0) (фиг. 3), то при увеличении нагрузки происходит поворот остова трактора, а вместе с ним и крепежной плиты, на угол β, величины углов поменяются (угол α станет равным α и угол β не будет равен нулю) (фиг. 4). В этом случае тензодатчики, установленные жестко в местах крепления тяг, будут давать не точные показания горизонтального усилия. Таким образом, для устранения погрешностей при определении горизонтального усилия со стороны с.-х. орудия требуется, чтобы тензопальцы находились в неизменном относительно горизонтальной плоскости положении, а показания тензодатчиков не изменялись от смещения точки приложения силы Р.
Задача, решаемая изобретением - обеспечение измерения усилий на тензометрических пальцах при их расположении в горизонтальной плоскости.
Технический результат - снижение погрешностью динамометрирования навесных сельскохозяйственных машин и орудий.
Указанный технический результат достигается установкой для пространственного динамометрирования навесных сельскохозяйственных машин и орудий, содержащей трактор с прикрепленной к тягам его навесной системы через тензометрические пальцы промежуточной плитой, в которой, согласно изобретению, тензометрические пальцы снабжены рычагами, соединенными тягами с рычагами установленного на плите промежуточного вала, дополнительный рычаг которого взаимодействует через тягу с серединой коромысла, по обоим концам которого в противоположных направлениях закреплены штоки гидроцилиндров, жестко закрепленных на промежуточной плите и гидравлически связанные с двумя прикрепленными к остову трактора гидроцилиндрами, на штоках которых установлены опирающиеся на почву копиры, при этом соотношение длин рычагов и расстояния между копирами связаны математической зависимостью (математическая зависимость 1).
г
в
Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 схематично изображена установка для пространственного динамометрирования, на фиг. 2 - кинематическая схема поворота тензометрических пальцев, на фиг. 3 - пространственное расположение тензорезисторов на тензометрических пальцах, на фиг. 4 и 5 - схема действия усилий на тяги навесной системы, на фиг. 6 - схема действия усилий на тензометрические пальцы, на фиг. 7 - эпюры напряжений от измеряемых изгибающих сил Р и Р.
Установка для пространственного динамометрирования включает жестко установленный в передней части остова трактора 1 гидроцилиндр 2 с опирающимся на почву копиром 3, сзади установлен гидроцилиндр 12 с копиром 20. К тягам 4 и 5 навесной системы трактора 1 через тензопальцы 7 присоединена плита 8. На плите 8 установлен промежуточный вал 19, к которому жестко прикреплен дополнительный рычаг 15, взаимодействующий через тягу 14 с коромыслом 13, по обоим концам которого закреплены штоки гидроцилиндров 6 и 8. К промежуточному валу 19 прикреплены три рычага 16, которые соединены тягами 17 с тремя рычагами 18, жестко соединенными с тензопальцами 7.
Г
г
Тензопалец 7 представляет собой цилиндр на 2-х опорах 9, на одинаковом расстоянии b от которых наклеены тензорезисторы 21-24 (фиг. 3). Тензорезисторы 21 -24 и сила Р должны лежать в одной горизонтальной плоскости по разные стороны от точки приложения силы Р. Передаточное отношение привода поворота тензопальцев 7 должно обеспечивать одинаковые углы поворота остова трактора 1 и тензопальцев 7. Для этого, при равных диаметрах гидроцилиндров 2, 12, 6 и 9, соотношение длин рычагов 15, 16, 18 и расстояния между копирами должно соответствовать математической зависимости (зависимость 1)
где  - длина дополнительного рычага 15 промежуточного вала, м;
- длина рычага 16 промежуточного вала, м;
- длина рычага 18 тензометрических пальцев, м;
- расстояния между копирами, м.
Тензорезисторы 21-24 электрически соединены между собой по мостовой схеме, при этом резисторы 21 и 23, как и 22 и 24, расположены в противоположных плечах мостовой схемы.
Работа устройства осуществляется следующим образом.
При отсутствии нагрузки в тягах навесного устройства трактора 1 тензопальцы 7 выставляют так, чтобы тензорезисторы 21-24 лежали в горизонтальной плоскости (фиг. 3) и (фиг. 4). Во время работы остов трактора поворачивается в вертикальной плоскости (фиг. 5), жидкость из связанных с копирами 3 и 20 гидроцилиндров 2 и 12 (фиг. 1) по магистралям 10 и 11 начнет перетекать в гидроцилиндры 9 и 6, что приводит к перемещению коромысла 13, перемещающего тягой 14 дополнительный рычаг 15 и повороту промежуточного вала 19, который, через рычаги 16, тяги 17 и рычаги 18, поворачивает тензопальцы 7. При этом тензорезисторы 21-24 возвращаются в горизонтальную плоскость.
Покажем, что при заявленном расположении тензорезисторов и схеме их электрического соединения, результирующий сигнал не зависит от расстояния  приложения усилия вдоль оси пальца 7.
Из уравнения статики (фиг. 6):
следует
Максимальные напряжения изгиба в точке К тензометрического пальца 7 будут:
Максимальные напряжения изгиба в точке М будут:
Тогда сумма напряжений в точках К и М составит:
г
Г
В
Как следует из последней зависимости (математическая зависимость 7), сумма напряжений не зависит от расстояния  приложения силы Р по длине балки. Исходя из этого, места установки тензорезисторов 21-24 (фиг. 3) на пальце 7 должны лежать в одной горизонтальной плоскости (в точках 1 и 3 (фиг. 7), в которых будут действовать максимальные напряжения от горизонтальной силы Р, а напряжения от сил Р равны нулю) на одинаковом расстоянии от опор по разные стороны от точки приложения силы.
За счет того, что в установке для пространственного динамометрирования тензометрические пальцы снабжены рычагами, соединенными тягами с рычагами промежуточного вала, дополнительный рычаг которого взаимодействует через тягу с серединой коромысла, по обоим концам которого в противоположных направлениях закреплены штоки гидроцилиндров, жестко закрепленных на промежуточной плите и гидравлически связанные с двумя прикрепленными к остову трактора гидроцилиндрами, на штоках которых установлены копиры, опирающиеся на почву, а также соотношения длин рычагов и расстояния между копирами, связанных математической зависимостью, достигается заявленный технический результат.