УСТАНОВКА СИЛОВЕСОИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ ГИДРАВЛИЧЕСКАЯ ОБРАЗЦОВАЯ (ВАРИАНТЫ)

Полезная модель относится к силоизмерительной технике, к образцовым средствам задания силы и веса.
Известны установки прямого нагружения типа УПН-10, УПН-30 на 10 и на 30 тонн, рычажные машины ОСМ 2-200-10М.
Возглавляет государственную поверочную схему на большие нагрузки установка прямого нагружения на 100 т (1000 кН), аттестованная как эталонная установка ЭУ-100, являющаяся Первичным Государственным эталоном и принадлежащая предприятию ВНИИМ им. Д.И.Менделеева г.Санкт-Петербург. (Н.С.Чаленко. Методы и средства измерения силы. Издательство стандартов. М., 1991 г., стр.51-52).
Признанными недостатками установки ЭУ-100 являются: возможность затирания эталонных грузов, низкая производительность и большие динамические погрешности, возникающие из-за раскачивания грузов большой массы. Кроме того, создание УПН на нагрузки более 100 тс по техническим и экономическим причинам является, по мнению многих специалистов, нецелесообразным.
Известны гидравлические грузопоршневые машины системы Жоховского на 10 и 50 тс, много лет используемые Западно-Сибирским центром метрологии и стандартизации г.Новосибирска в качестве образцовых машин 2 разряда с погрешностью порядка 0,2% (А.с. СССР №81674, G01G 23/00, опубл. 1949.01.01).
Недостатками грузопоршневой машины на 50 тс являются:
- утечка рабочего тела в грузопоршневом манометре и в гидравлическом силовозбудителе особо заметная при нагрузках более 30 тс;
- необходимость постоянного вращения поршня манометра с гирями и силовозбудителя с целью уменьшения трения;
- ручное наложение грузов на поршень манометра также увеличивает вероятность появления дополнительного трения.
Если погрешность манометра может составлять ±0,05% и менее, то погрешность силовозбудителя из-за утечки рабочего тела (масла) превышает 0,15%. Уплотнение в паре поршень-цилиндр приводит к уменьшению утечки в
силовозбудителе, но эта мера неизбежно ведет к значительному увеличению трения в паре.
Известна установка силоизмерительная гидравлическая образцовая (Пат. РФ №2265813) с верхним пределом до 3 Мн (300 т) и более с погрешностью порядка 0,05%, которая имеет ограниченную точность и требует использования дорогостоящих силоизмерительных датчиков и цифровой измерительной аппаратуры.
Наиболее близкой по технической сущности к заявляемой установке является "Образцовая силозадающая машина" (А.с. СССР №1719946, G01L 25/00, 15.03.92), содержащая неподвижную и подвижную силовые рамы. Неподвижная силовая рама включает основание, связанное вертикальными силовыми колоннами с верхней неподвижной траверсой, на которой расположено основное нагружающее устройство с установленным на нем образцовым силоизмерительным датчиком (динамометром сжатия). Подвижная силовая рама имеет вертикальные колонны, которые соединяют верхнюю подвижную траверсу, среднюю подвижную траверсу (выполняющую роль грузоприемной платформы) и нижнюю траверсу. Под нижней траверсой машины имеется набор образцовых гирь, опирающихся на дополнительное нагружающее устройство. Основное и дополнительное нагружающие устройства выполнены в виде гидроцилиндров с неуплотненными поршнями и герметично изолированными внутри них теплообменником и рабочим телом.
К недостаткам прототипа следует отнести температурные погрешности образцового динамометра, возникающие вследствие его нагрева от основного нагружающего устройства. Кроме того, установка требует использования дорогостоящих силоизмерительных датчиков, цифровых измерительных приборов и набора образцовых гирь большой массы. Наличие набора образцовых гирь еще оправдывается при создании машин на сравнительно небольшие нагрузки, например 10-20 тс. При создании машины с верхним пределом воспроизводимой силы 3 или 5 МН потребовались бы образцовые гири общей массой 30 или 50 тонн, что является практически неразрешимой проблемой по техническим и экономическим причинам.
Задачей, на решение которой направлена предполагаемая полезная модель, является создание установки, обеспечивающей поверку, градуировку и исследование силоизмерительных (весоизмерительных) датчиков и динамометров с верхним пределом 3 Мн (300 тс) и более с основной погрешностью порядка 0,01÷0,005%. При
этом обязательным условием является отказ от использования импортных, дорогостоящих силоизмерительных датчиков на большие нагрузки, имеющих ограниченную точность и цифровой измерительной аппаратуры.
Для решения этой задачи разработан грузопоршневой манометр, содержащий пару поршень-цилиндр, набор гирь, сосуд с рабочим телом и гидравлическими винтами. При этом пара «поршень-цилиндр» выполнена с малым зазором, основание пары изолировано от рабочего тела (масла) тонкой эластичной мембраной, верхняя часть поршня выполнена в виде шарообразной силовой головки, имеющей начальный зазор с грузоприемной платформой, с которой так же с начальным зазором соединены образцовые гири, расположенные в нижней части манометра на платформе, под которой установлен домкрат с ручным, механическим, гидравлическим или электрическим приводом. Рабочее давление обеспечивается специализированным насосом или электротермогидравлической станцией (ЭТГС), представляющей из себя сосуд высокого давления с находящимся в нем рабочим телом, электронагревателем, теплообменником для быстрого охлаждения рабочего тела, подключенной к регулятору электрического напряжения сети.
Через гидравлический переключатель манометр подключен к образцовой силоизмерительной машине, способной работать одновременно на растяжение-сжатие при средних нагрузках 10, 50 или 100 тс (1000 кН) без использования реверсора. Это становится возможным благодаря тому, что силоизмерительная машина содержит универсальный прецизионный силовозбудитель, выполняющий функцию нагружающего устройства. Поршень, мембрана и основание цилиндра силовозбудителя выполнены в форме кольца, а цилиндр имеет толстостенные малую и большую гильзы, которые вкручены в основание цилиндра с усилием, при этом поршень имеет полусферическую поверхность, на которую опирается грузоприемная платформа с силовой шпилькой (тягой).
Универсальный прецизионный силовозбудитель установлен сверху средней траверсы машины, по центру которой пропущена силовая тяга с накрученным на ее конце захватом для установки динамометра и силовесоизмерительного датчика, работающего на растяжение, другой захват на длинной силовой тяге, вкручен в нижнюю траверсу машины. На грузоприемную платформу силовозбудителя установлен поверяемый датчик, работающий на сжатие, который сверху может упираться на другой, регулируемый по высоте, силовой винт.
Через гидравлический переключатель манометр может быть подключен к другой образцовой машине на большие нагрузки - 200, 300 или 500 тс и более, работающей на сжатие.
Принцип построения установки на большие нагрузки аналогичен верхней части вышеописанной установки на средние нагрузки, отличие заключается только в том, что силовая рама содержит вместо двух, четыре силовые колонны, а вместо универсального прецизионного силовозбудителя используется образцовый силовозбудитель, работающий на сжатие.
Силовозбудитель содержит пару поршень-цилиндр, выполненную с малым зазором для исключения утечки рабочего тела, поршень также изолирован от цилиндра тонкой эластичной мембраной.
На Фиг.1 показан отдельно главный узел грузопоршневого манометра: пара поршень - 1 и цилиндр - 2, выполненные с малым зазором. Цилиндр плотно вкручивается в корпус - 3, надежно зажимая тонкую эластичную мембрану - 4 из маслобензостойкой резины. Упрощенная схема грузопоршневого манометра представлена на Фиг.2. Позиции 1-4 те же, что на Фиг.1. В корпусе - 3 по центру поршня - 1 имеется небольшое углубление порядка 5 мм, которое соединено со штуцером - 5, предназначенным для подключения к электротермогидравлической станции или специализированному насосу, 6 - крепежный элемент. Поршень - 1 имеет начальный зазор с грузоприемной платформой - 7, которая имеет строго определенный, расчетный вес. Платформа тремя тягами - 8 соединяется, как звенья цепи, с набором гирь - 9 манометра. Опускание (подъем) гирь может производиться домкратом - 10 с ручным, механическим, гидравлическим или электрическим приводами. Горизонтальное положение мембраны - 4 фиксируется стрелочным указателем - 11 по совпадению стрелок.
Электротермогидравлическая станция (ЭТГС), описанная в Пат. РФ №2082133, содержит электронагреватель - 12, теплообменник - 13 для быстрого водяного охлаждения, корпус - 14, в котором находится рабочее тело (трансформаторное масло) и на котором размещены контрольный манометр - 15, штуцеры для подключения к грузопоршневому манометру и силоизмерительным машинам - 16. Разъем - 17 служит для подключения к стабилизированному регулятору напряжения - 18, способному изменять выходное напряжение с дискретностью не хуже 0,001 вольт. Мощность регулятора не менее 1 квт, выходное напряжение 0-210 вольт. Гидропровод - 19 и
переключатель - 20 служат для подключения манометра к ЭТГС и силоизмерительным машинам.
2
2
В силоизмерительной (СИ) машине на средние нагрузки до 50 (100) тс основным элементом является прецизионный универсальный силовозбудитель, работающий одновременно на растяжение-сжатие. Существенным отличием предлагаемого силовозбудителя является то, что пара поршень-цилиндр имеют строго расчетные диаметры при допусках на их изготовление не более 0,025 мм. Площадь поршня при давлении 200 кгс/см составляет 250 см. Это позволяет полностью исключить подвижные рамы, состоящие из трех силовых траверс с силовыми тягами, силоизмерительного датчика с цифровой специализированной измерительной аппаратурой, силонагружающее устройство с рабочим телом, набор спецгрузов с устройством типа домкрат, а также избежать трудоемкой операции калибровки датчика (динамометра) на 50 тс гирями с весом до 5 т. Максимальный вес грузов образцового манометра не более 50 кг.
На Фиг.3 отдельно вынесена схема универсального силовозбудителя, содержащего: корпус - 1, малую толстостенную гильзу - 2, большую толстостенную гильзу - 3, поршень - 4, тонкую мембрану - 5, выполненную в форме кольца.
На полусферическую поверхность поршня опирается грузоприемная платформа - 6, с вкрученной в ее центр силовой тягой - 7. Через штуцер - 8 силовозбудитель подключается к ЭТГС и образцовому грузопоршневому манометру.
Схема СИ машины на средние нагрузки представлена на Фиг.4. Силовозбудитель (Фиг.3) установлен на центр средней траверсы - 9 СИ машины, жестко соединенной с верхней траверсой - 10 двумя силовыми колоннами - 11. По центру верхней траверсы установлены силовая гайка - 12 и винт - 13, образуя зону сжатия. Аналогично образуется зона, работающая на растяжение, с единственной разницей, что силовой винт и длинная гайка - 14 имеют левую и правую резьбу. Захваты - 15 служат для установки динамометров или силовесоизмерительных датчиков, работающих на растяжение.
Вторая силовесоизмерительная установка на большие нагрузки 200, 300, 500 тс и более работает только на сжатие (Фиг.5). Машина имеет силовые колонны - 1 в количестве 4 штук, надежно соединяющие верхнюю - 2 и нижнюю - 3 траверсы. Устройство силового винта аналогично предыдущей машине. Существенное отличие заключается в том, что в машине используется образцовый силовозбудитель - 4, работающий на сжатие (Пат. РФ №2082133, №2265813). В установке отсутствуют
импортные силоизмерительные датчики на большие нагрузки до 3 мн, эталонный датчик до 500 кн, цифровой измерительный прибор и силовозбудитель на 50 тс, что значительно упрощает конструкцию.
2
2
Схема силовозбудителя аналогична приведенным на Фиг.1 с той разницей, что площадь поршня, например, на нагрузки до 300 тс и давлении 250 кгс/см составляет 1200 см. Расчетный диаметр такого поршня равен 390,89 мм.
Установка работает следующим образом.
2
2
2
При включении регулятора напряжения - 18 (Фиг.1) начинает подниматься поршень - 1 образцового манометра, затем грузоприемная платформа - 7 поднимается до горизонтального (нейтрального) положения эластичной мембраны - 4, которое определяется по совпадению стрелок указателя - 11. Площадь поршня манометра составляет 0,2 см, площадь универсального силовозбудителя на 50 тс равна 250 см. При открытом клапане - 20 в гидравлической сети возникает давление, равное 1 кгс/см и усилие 250 кгс.
2
Далее опускается домкрат - 10 с гирями - 9. Верхний груз с усилием 0,2 кгс с помощью трех шпилек - 8 также накладывается на поршень манометра, далее следуют грузы: 0,4; 0,8; 1,6; 2,0 и 4,0 с общим суммарным весом 40 кгс. При каждом наложении грузов необходимо увеличивать давление в манометре и СИ машине. Это каждый раз достигается плавным увеличением напряжения питания ЭТГС с помощью регулятора - 18. Когда давление достигает 200 кгс/см, усилие в цепи СИ машины составляет 50 тс. В этом легко убедиться, если, например, в зоне сжатия находится образцовый сило- или весоизмерительный датчик с цифровой аппаратурой высокого класса.
Обратный процесс разгружения осуществляется при уменьшении напряжения питания ЭТГС и подъеме грузов манометра. Далее включается принудительное воздушное или водяное охлаждение до момента времени, когда грузовая платформа - 7 опустится полностью. Далее процессы нагружения и разгрузки повторяются.
Работа установки на большие нагрузки 300 тс и более мало чем отличается от работы предыдущей установки. Основное отличие заключается в том, что для создания таких нагрузок требуются большие расходы рабочего тела - 1,5 л и более. Поэтому ЭТГС должна иметь объем рабочего тела до 20 л и более или дополнительный насос (на Фиг.2 не показан).
Таким образом, предлагаемый грузопоршневой манометр и силовесоизмерительные машины на средние и большие нагрузки с верхними
пределами 5, 10, 20, 50, 100, 300, 500 тс и более исключают в большинстве практических случаев необходимость использования наборов гирь большой массы (5, 10, 30 т и более), исключают также необходимость использования дорогостоящих силоизмерительных датчиков и цифровых измерительных приборов с приведенными погрешностями 0,0025 и 0,0005%.
Следует отдельно отметить, что силоизмерительный датчик фирмы НВМ (Германия) до 3000 кН (300 тс), поставленный по контракту в СНИИМ г.Новосибирска, имеет погрешности, превышающие 0,1% при нагрузках 10, 20 и 30% (30, 60 и 90 тс).
2
2
Предлагаемый силовозбудитель, например до 300 тс и давлении 250 кгс/см имеет площадь поршня 1200 см и расчетный диаметр 390,89 мм. При сравнительно большом допуске на изготовление поршня 0,1 мм дополнительная погрешность не превышает 0,003% при изменении окружающей температуры в пределах 1-2°С.
Предлагаемый манометр также обладает дополнительными отличиями и преимуществами по сравнению с известными:
- полностью исключается утечка рабочего тела;
- введение зазора в пару поршень-цилиндр и центровка поршня практически исключает влияние трения и необходимость вращения поршня с набором гирь и использования для этой цели электродвигателя с редуктором;
2
2
- проведение измерений при нейтральном (горизонтальном) положении тонкой эластичной мембраны практически исключает дополнительную погрешность от ее влияния и позволяет существенно расширить диапазон воспроизводимых давлений в области малых величин, например, с 10-250 кгс/см до 1(0,1)-250 кгс/см;
- расположение грузов манометра ниже уровня пары поршень-цилиндр и бесконтактное силовое их начальное соединение снижает вероятность появления дополнительного трения в паре, а также позволяет заменить процесс ручного наложения грузов их простым подъемом и опусканием с помощью домкрата с ручным или автоматическим приводом;
- использование ЭТГС позволяет значительно увеличить объем рабочего тела и автоматизировать процессы задания требуемого давления путем регулировки напряжения питания в диапазоне 0-220 вольт;
- применение универсальных прецизионных силовозбудителей, способных без реверсора работать на нагрузки растяжения - сжатия и, что весьма важно, работать с
одинаковой градуировочной характеристикой и метрологическими параметрами, позволяет создавать образцовые СИ машины на нагрузки до 100 тс с техническими характеристиками, превосходящими рычажные машины и установки прямого нагружения по многим техническим параметрам;
- использование прецизионного силонагружающего устройства на нагрузки 300, 500 тс и более, работающего на сжатие одновременно с предлагаемым грузопоршневым манометром, позволяет уменьшить погрешность до величин порядка 0,003-0,005%.
Вышеперечисленные отличия и достоинства предлагаемых установок дают реальную возможность претендовать на достижение уровня Рабочего эталона силы на большие нагрузки в пределах 10-500 тс (100-5000 кН) и более.