СТЕНД ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ СОПРОТИВЛЕНИЯ ГРУНТОВ И СНЕЖНО-ЛЕДЯНЫХ ОБРАЗОВАНИЙ РЕЗАНИЮ
STAND FOR MEASURING RESISTANCE OF SOILS AND SNOW-ICE FORMATIONS TO CUTTING

Изобретение относится к технике измерений сопротивлений грунтов и снежно-ледяных образований резанию и может быть использовано для определения сил, действующих на режущий орган дорожных и землеройных машин.
Известен стенд для измерения сопротивления грунтов резанию, содержащий раму с упругим консольным элементом, на котором закреплен держатель с режущим элементом, и тензодатчики, при этом упругий элемент выполнен Т-образным, тензодатчики расположены на вертикальных и горизонтальных участках упругого элемента, а держатель закреплен на горизонтальном участке упругого элемента (авт. свид. СССР № 734514, дата приоритета 09.11.1977, дата публикации 15.05.1980, авторы: Пристайло Ю.П. и др., RU).
Недостатками известного стенда являются ограниченные функциональные возможности и низкая эффективность из-за фиксации держателя с режущим органом в одном положении, а также низкая точность измерений, обусловленная установкой тензодатчиков на поверхности Т-образного элемента по ходу движения стенда, что приводит к взаимному влиянию вертикальной составляющей усилия резания на величину горизонтальной составляющей усилия резания при резании мерзлых грунтов с включениями.
Наиболее близким аналогом по технической сущности и достигаемому результату является стенд для измерения сопротивления грунтов и снежно-ледяных образований резанию, принятый в качестве прототипа, содержащий раму с жестко закрепленными на ней кронштейнами, П-образный упругий консольный элемент, шарнирно соединенный с рамой, основание, шарнирно соединенное с П-образным упругим консольным элементом, закрепленный на основании держатель с режущим органом и горизонтальные тяги с установленными на них тензодатчиками, регистрирующими составляющие усилия резания, при этом тяга, регистрирующая горизонтальную составляющую усилия резания, выполнена в виде стержня, установлена вдоль продольной оси стенда и шарнирно закреплена одним концом в кронштейнах рамы, а другим концом с основанием, тяга, регистрирующая боковую составляющую усилия резания, выполнена в виде стержня, установлена перпендикулярно продольной оси стенда и шарнирно закреплена одним концом в кронштейнах рамы, а другим концом с основанием, тяга, регистрирующая вертикальную составляющую усилия резания и шарнирно связывающая раму с П-образным упругим консольным элементом, выполнена в виде вала с продольным отверстием по всей его длине и установлена параллельно продольной оси стенда в кронштейнах рамы, держатель с закрепленным на нем рабочим органом установлен на основании с возможностью изменения угла установки рабочего органа при повороте держателя в горизонтальной плоскости относительно вертикальной оси, проходящей через центр основания и середину кромки рабочего органа, а рабочий орган установлен с возможностью изменения угла резания (Патент РФ № 2676208 С1, дата приоритета 27.03.2018, дата публикации 26.12.2018, авторы: Желукевич Р.Б. и др., RU, прототип).
Недостатком прототипа является низкая его эффективность, обусловленная, во-первых, низкой точностью измерения составляющих усилия резания из-за шарнирного соединения концов тяг, являющихся тензометрическими балками, с держателем рабочего органа и с кронштейнами рамы, из-за взаимного влияния составляющих усилия резания друг на друга в связи с отсутствием средств их компенсации; во-вторых, отсутствием возможности регистрировать крутящий момент и скорость вращения. При этом известный стенд не позволяет получать достоверные независимые данные о значениях горизонтальной, боковой и вертикальной составляющих силы резания при исследовании, в том числе, вращающихся рабочих органов
Технической проблемой, решаемой изобретением, является повышение точности измерения составляющих усилия резания в стенде для измерения сопротивления грунтов и снежно-ледяных образований резанию и повышение эффективности стенда путем расширения диапазона возможностей с обеспечением измерения крутящего момента и скорости вращения рабочего органа.
Для решения технической проблемы предложен стенд для измерения сопротивления грунтов и снежно-ледяных образований резанию, включающий раму, установленные на ней держатели, в которых закреплены тензометрические балки для регистрации горизонтальной, вертикальной и боковой составляющих усилия резания, соединенные с держателем режущего органа. Новым является то, что в качестве тензометрических балок использованы усиленные балки с уменьшенным сечением в местах установки тензорезисторов, причем тензометрические балки выполнены в виде удлиненного параллелепипеда, снабженного вытянутым вдоль балки сквозным Н-образным пазом, и закреплены в стенде как консольные балки в одной плоскости на одной плите. При этом тензометрическая балка, регистрирующая горизонтальную составляющую усилия резания, установлена перпендикулярно к направлению движения рабочего органа с расположением осей Н-образного паза в вертикальной плоскости и закреплена одним концом в соединенном с рамой держателе с возможностью перемещения балки в горизонтальной плоскости в одном направлении, а другим концом указанная балка соединена с плитой с возможностью перемещения от изгиба конца балки в горизонтальной плоскости, балка, регистрирующая вертикальную составляющую усилия резания, установлена параллельно к направлению движения рабочего органа с расположением осей Н-образного паза в горизонтальной плоскости и закреплена одним концом в соединенном с рамой держателе с возможностью перемещения балки в горизонтальной плоскости в двух взаимно перпендикулярных направлениях, а другим концом указанная балка соединена с плитой с возможностью перемещения конца балки от изгиба в вертикальной плоскости, тензометрическая балка, регистрирующая боковую составляющую усилия резания, установлена параллельно к направлению движения рабочего органа с расположением осей Н-образного паза в вертикальной плоскости и закреплена одним концом в соединенном с рамой держателе с возможностью перемещения балки в горизонтальной плоскости в одном направлении, а другим концом указанная балка соединена с плитой с возможностью перемещения конца балки от изгиба в горизонтальной плоскости, при этом держатели, в которых закреплены тензометрические балки, регистрирующие горизонтальную и боковую составляющие, снабжены узлами трения качения и выполнены с одной степенью свободы для обеспечения восприятие тензометрическими балками только горизонтальной и боковой составляющих сопротивления резанию от режущего органа, а держатель, в котором закреплена тензометрическая балка, регистрирующая вертикальную составляющую, снабжен узлами трения качения и выполнен с двумя степенями свободы для обеспечения восприятия тензометрической балкой только вертикальной составляющей сопротивления резанию от режущего органа для повышения достоверности и независимости определения составляющих сил резания без взаимного влияния их друг на друга.
Согласно изобретению, держатели тензометрических балок для регистрации горизонтальной и боковой составляющих усилия резания выполнены из двух Г-образных кронштейнов, снабженных продольными сквозными пазами на вертикальных стенках, между которыми установлен Т-образный кронштейн, снабженный в уширенной части отверстиями под болтовые соединения, расположенными соосно пазам в Г-образных кронштейнах, при этом Т-образный кронштейн уширенной частью соединен с Г-образными кронштейнами с помощью болтовых соединений, пропущенных через сквозные пазы, с возможностью его перемещения, а нижней частью Т-образный кронштейн соединен с тензометрической балкой, кроме того, на вертикальной стенке Г-образных кронштейнов с внутренней стороны выполнены два продольных паза симметрично относительно продольного сквозного паза, в которых установлены рамки с цилиндрическими подшипниками линейного перемещения, а уширенная часть Т-образного кронштейна снабжена с обеих сторон ответными продольными пазами под цилиндрические подшипники.
Согласно изобретению, держатель тензометрической балки для регистрации вертикальной составляющей усилия резания содержит три соединенных между собой кронштейна, верхний из которых выполнен П-образным и снабжен четырьмя отверстиями на горизонтальной полке под болтовое соединения, с помощью которых П-образный кронштейн соединен с Т-образным кронштейном, состоящим из двух стенок, соединенных с плитой, расположенной на полке между стенками П-образного кронштейна и снабженной продольными пазами, соосными отверстиям на горизонтальной полке П-образного кронштейна, выполненными с возможностью перемещения вдоль них Т-образного кронштейна, при этом на внутренней стороне горизонтальной полки П-образного кронштейна выполнены три продольных паза симметрично относительно отверстий под болтовые соединения, в которых установлены рамки с цилиндрическими подшипниками линейного перемещения, а на нижней стороне плиты Т-образного кронштейна выполнены ответные пазы под указанные рамки с цилиндрическими подшипниками линейного перемещения, кроме того, вертикальные стенки Т-образного кронштейна расположены с зазором, в котором установлен с помощью болтовых соединений Г-образный кронштейн с уширенной стенкой, снабженной сквозным пазом, при этом вертикальные стенки Т-образного кронштейна выполнены с отверстиями под болтовые соединения, соосными сквозному продольному пазу Г-образного кронштейна, полка которого соединена с тензометрической балкой, регистрирующей вертикальную составляющую, кроме того, на вертикальных стенках Т-образного кронштейна с внутренней стороны выполнены два продольных паза симметрично относительно отверстий под болтовые соединения, в которых установлены рамки с цилиндрическими подшипниками линейного перемещения, а уширенная часть Г-образного кронштейна снабжена с обеих сторон ответными продольными пазами под рамки с цилиндрическими подшипниками линейного перемещения для обеспечения перемещения параллельно оси тензометрической балки.
Согласно изобретению, на плите стенда дополнительно установлены электрический двигатель, редуктор и зубчатая передача для привода вращения держателя рабочего органа, соединенного со ступицей, закрепленной на плите, а на ступице установлен датчик регистрации скорости вращения рабочего органа.
На фиг. 1 схематично изображен стенд для измерения сопротивления грунтов и снежно-ледяных образований резанию, общий вид сбоку; на фиг. 2 показан вид А на фиг. 1; на фиг. 3 - разрез Б-Б на фиг. 1; на фиг. 4 - вид В на фиг. 3;
Г
Б
В
Стенд для измерения сопротивления грунтов и снежно-ледяных образований резанию содержит раму 1, на верхней стороне которой закреплены две проушины 2, на нижней стороне рамы с помощью болтовых соединений 3 закреплен держатель 4 тензометрической балки 5 (фиг. 1), регистрирующей горизонтальную составляющую усилия резания R. С помощью болтовых соединений 6 на раме закреплен держатель 7 тензометрической балки 8 (фиг. 2), регистрирующей боковую составляющую усилия резания R, и с помощью болтовых соединений 9 на раме закреплен держатель 10 тензометрической балки 11 (фиг. 3), регистрирующей вертикальную составляющую усилия резания R.
В качестве тензометрических балок 5, 8, 11 использованы усиленные балки с уменьшенным сечением в местах установки тензорезисторов, причем тензометрические балки выполнены в виде удлиненного параллелепипеда, снабженного вытянутым вдоль балки сквозным Н-образным пазом 12, и закреплены в стенде как консольные балки (https://palitrabazar.ru/raznoe/kak-rabotaet-tenzodatchik.html, дата просмотра 14.04.2021).
В
Б
Г
Б
Г
Б
В
Держатели 4 и 7 тензометрических балок 5 и 8 для регистрации горизонтальной и боковой составляющих усилия резания выполнены из двух Г-образных кронштейнов 13, снабженных продольными сквозными пазами 14 на вертикальных стенках, между которыми установлен Т-образный кронштейн 15, снабженный в уширенной части отверстиями под болтовые соединения 16, расположенными соосно пазам 14 в Г-образных кронштейнах 13. При этом Т-образный кронштейн 15 уширенной частью соединен с Г-образными кронштейнами 13 с помощью болтовых соединений 16, пропущенных через сквозные пазы 14, с возможностью его перемещения вдоль оси тензометрической балки. Нижней частью Т-образный кронштейн 15 держателя 4 соединен с помощью болтовых соединений 17 с тензометрической балкой 5. Нижней частью Т-образный кронштейн 15 держателя 7 соединен с помощью болтовых соединений 18 с тензометрической балкой 8. На вертикальной стенке Г-образных кронштейнов 13 с внутренней стороны выполнены два продольных паза 19 симметрично относительно продольного сквозного паза 14, в которых установлены рамки с цилиндрическими подшипниками линейного перемещения 20, а уширенная часть Т-образного кронштейна снабжена с обеих сторон ответными продольными пазами 19 под цилиндрические подшипники линейного перемещения 20. Держатель 10 тензометрической балки 11, регистрирующей вертикальную составляющую усилия резания R, содержит три соединенных между собой кронштейна 21, 22, 23. Верхний кронштейн 21 выполнен П-образным и снабжен четырьмя отверстиями на горизонтальной полке под болтовые соединения 24, с помощью которых П-образный кронштейн 21 соединен с Т-образным кронштейном 22. Т-образный кронштейн 22 состоит из двух стенок 25, соединенных с плитой 26, расположенной на полке между стенками П-образного кронштейна 21 и снабженной продольными пазами 14, соосными отверстиям на горизонтальной полке П-образного кронштейна 21, выполненными с возможностью перемещения вдоль них Т-образного кронштейна 22. На внутренней стороне горизонтальной полки П-образного кронштейна 21 выполнены три продольных паза 19 симметрично относительно отверстий под болтовые соединения 24, в которых установлены рамки с цилиндрическими подшипниками линейного перемещения 20, а на нижней стороне плиты 26 Т-образного кронштейна 22 выполнены ответные пазы 19 под указанные рамки с цилиндрическими подшипниками линейного перемещения 20. Вертикальные стенки 25 Т-образного кронштейна 22 расположены с зазором, в котором установлен с помощью болтовых соединений 27 Г-образный кронштейн 23 с уширенной стенкой, снабженной сквозным пазом 14. При этом вертикальные стенки 25 Т-образного кронштейна 22 выполнены с отверстиями под болтовые соединения 27, соосными сквозному продольному пазу 14 Г-образного кронштейна 23, полка которого с помощью болтовых соединений 28 соединена с тензометрической балкой 11, регистрирующей вертикальную составляющую. На вертикальных стенках 25 Т-образного кронштейна 22 с внутренней стороны выполнены два продольных паза 19 симметрично относительно отверстий под болтовые соединения 27, в которых установлены рамки с цилиндрическими подшипниками линейного перемещения 20, а уширенная часть Г-образного кронштейна 23 снабжена с обеих сторон ответными продольными пазами 19 под рамки с цилиндрическими подшипниками линейного перемещения 20 для обеспечения перемещения параллельно оси тензометрической балки 11. Тензометрическая балка 5, регистрирующая горизонтальную составляющую усилия резания, установлена перпендикулярно к направлению движения рабочего органа 29 с расположением осей Н-образного паза 12 в вертикальной плоскости и закреплена одним концом с помощью болтовых соединений 17 с Т-образным кронштейном держателя 4 с возможностью перемещения балки в горизонтальной плоскости в одном направлении, а другим концом балка 5 с помощью болтовых соединений 30 соединена с Г-образным кронштейном 31, соединенным с плитой 32 болтовыми соединениями 33, с возможностью перемещения от изгиба конца балки 5 в горизонтальной плоскости. Тензометрическая балка 11, регистрирующая вертикальную составляющую усилия резания R, установлена параллельно к направлению движения рабочего органа 29 с расположением осей Н-образного паза 12 в горизонтальной плоскости и закреплена одним концом с помощью болтовых соединений 28 с Г-образным кронштейном 23 держателя 10 с возможностью перемещения балки 11 в горизонтальной плоскости в двух взаимно перпендикулярных направлениях, а другим концом балка 11 соединена с плитой 32 через пластину 34 болтовыми соединениями 35 с возможностью перемещения конца балки 11 от изгиба в вертикальной плоскости. Тензометрическая балка 8, регистрирующая боковую составляющую усилия резания Re, установлена параллельно к направлению движения рабочего органа 29 с расположением осей Н-образного паза 12 в вертикальной плоскости и закреплена с помощью болтовых соединений 18 одним концом с Т-образным кронштейном 15 держателя 7 с возможностью перемещения балки 8 в горизонтальной плоскости в одном направлении, а другим концом балка 8 соединена с помощью болтовых соединений 36 с Г-образным кронштейном 37, соединенным с плитой 32 болтовыми соединениями 38 с возможностью перемещения конца балки от изгиба в горизонтальной плоскости. Держатели 4, 7, в которых закреплены тензометрические балки 5, 8, регистрирующие горизонтальную R и боковую R составляющие, снабжены узлами трения качения и выполнены с одной степенью свободы для обеспечения восприятия тензометрическими балками 5, 8 только горизонтальной R и боковой R составляющих сопротивления резанию от режущего органа 29. Держатель 10, в котором закреплена тензометрическая балка 11, регистрирующая вертикальную R составляющую, снабжен узлами трения качения и выполнен с двумя степенями свободы для обеспечения восприятия тензометрической балкой 11 только вертикальной составляющей сопротивления резанию от режущего органа 29 для повышения достоверности и независимости определения составляющих сил резания без взаимного влияния их друг на друга. На плите 32 стенда с помощью болтовых соединений 39 закреплен Г-образный кронштейн 40, на котором с помощью болтовых соединений 41 установлен электрический двигатель 42, соединенный с редуктором 43. Электродвигатель 42 соединен с помощью вала и шпоночного соединения (на рисунке не показано) с редуктором 43. На выходном валу редуктора 43 с помощью шпоночного соединения (на рисунке не показано) и стопорной гайки 44 установлено зубчатое колесо 45, образующее с зубчатым колесом 46 зубчатую передачу, для передачи крутящего момента от редуктора 43 к держателю 47 рабочего органа 29. Держатель 47 соединен болтовыми соединениями 48 с зубчатым колесом 46 и ступицей 49 через шайбу 50. Ступица 49 закреплена болтовыми соединениями 51 на плите 32. Держатель 47 соединен с рабочим органом 29 болтовыми соединениями 52. На ступице 49 установлен датчик 53 регистрации скорости вращения рабочего органа 29. Неподвижная часть датчика закреплена на неподвижном основании ступицы 49 с помощью болтовых соединений 51, а подвижная часть датчика закреплена на подвижном основании ступицы 49 болтовыми соединениями 48.
Перед проведением испытаний заявляемый стенд для измерения сопротивления грунтов и снежно-ледяных образований резанию устанавливают на стенд, имитирующий движение строительно-дорожной техники, и закрепляют с помощью шпилек и гаек, образующих болтовые соединения в отверстиях проушин 2 (условно не показано). Стенд для измерения сопротивления грунтов и снежно-ледяных образований резанию работает следующим образом. Вращающийся рабочий орган 29 выставляют на нужную глубину резания, на регулирующей аппаратуре задают требуемое число оборотов, задают необходимый способ резания (блокированное, полублокированной). Стенд находится в статическом положении, движение не совершает, продольное движение совершает образец грунта или снежно-ледового образования, установленный на подвижную плиту стенда, имитирующего движение строительно-дорожной техники (на рисунке не показано).
Г
В
Б
В процессе резания грунтов или снежно-ледяных образований в каждый момент времени на рабочий орган 29 действуют горизонтальная составляющая усилия резания R, вертикальная составляющая усилия резания R и боковая составляющая усилия резания R (которая возникают при изменении схемы взаимодействия рабочего органа с разрабатываемым массивом). Действие этих сил через плиту 32 передается тензометрическим балкам 5, 8 и 11 без взаимного влияния друг на друга и на установленные тензорезисторы.
Составляющие силы резания независимо измеряются устройством в трех ортогональных направлениях при помощи трех соответствующих тензометрических балок 5, 8 и 11. Посредством держателей 4, 7, 10 с узлами трения качения при измерении силы резания достигают независимости определения величин составляющих силы резания. При этом тензометрическая балка 11, регистрирующая вертикальную составляющую усилия, имеет две степени свободы - перемещение вдоль оси движения стенда и перпендикулярно оси перемещения стенда. Таким образом, использование держателей 4, 7 с узлами трения качения с одной степенью свободы и держателя 10 с узлами трения качения с двумя степенями свободы позволяет обеспечить передачу ортогональных составляющих силового потока на три тензометрические балки, расположенные в одной плоскости. Это повышает достоверность и независимость определения составляющих сил резания.
Стенд для измерения сопротивления грунтов и снежно-ледяных образований резанию может быть использован при отключенном электродвигателе 42 и зафиксированной ступице 49 с невращающимся рабочим органом (например, отвалом), а также с вращающимися рабочими органами.
Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет расширить диапазон измерений и повысить точность измерения составляющих усилий резания за счет конструкции тензометрических балок, их консольной установки в стенде с взаимным расположением, исключающим влияние друг на друга, а также расширить функциональные возможности и повысить эффективность использования стенда за счет расширения диапазона нагрузок, благодаря усиленной конструкции тензометрических балок по сравнению со стержневыми тягами, при возможности изменять угол установки (поворота) рабочего органа в горизонтальной плоскости и угол резания относительно вертикальной оси. Это позволит не только измерить силы сопротивления резанию грунта и снежно-ледовых образований, но и выявить самые оптимальные параметры установки рабочих органов снегоуборочных и\или землеройных машин для различных свойств обрабатываемой поверхности.
При реализации изобретения достигается обусловленный указанными преимуществами технический результат, который заключается в повышении точности измерения составляющих усилия резания и в расширении функциональных возможностей.