ВСТАВКА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ДЕФОРМАЦИИ НАГРУЖАЕМОГО ЭЛЕМЕНТА КОНСТРУКЦИИ

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
Известны измерительные вставки, используемые в системах управления и защиты от перегрузок грузоподъемных кранов (FR 2346278, 28.10.1977; GB 2031594 А, 23.04.1980; RU 99473 U1, 20.11.2010). Данные вставки выполнены в виде оси шарнирного узла кранового оборудования. Ось представляет собой упругий силовоспринимающий элемент с закрепленными на нем тензорезисторами, соединенными в электрический мост, сигнал с которого поступает на управляющее устройство грузоподъемного крана.
Такие измерительные вставки (оси-датчики усилия) являются составной частью шарнирного узла кранового оборудования, что затрудняет монтаж датчика усилия на грузоподъемном кране при его изготовлении, а также при необходимости замены датчика в процессе эксплуатации крана.
Известна также измерительная вставка, включающая в себя силовоспринимающий элемент с установленными на нем тензорезисторами. Вставка устанавливается в полую ось шарнирного узла кранового оборудования, например, в полую ось блоков грузозахватного органа (RU 90773 U1, B66C 23/88, 20.01.2010).
Такая вставка обеспечивает возможность проверить ее состояние и при необходимости заменить ее без демонтажа кранового оборудования. Однако точность измерения с помощью данной вставки может снижаться со временем из-за возможности смещения ее относительно оси шарнирного узла под действием циклических нагрузок на ось шарнирного узла, вибрации и других факторов, так как для ее фиксации нельзя использовать посадки с натягом, клеевые соединения и подобные неразборные соединения. Поэтому монтаж вставки в полости оси шарнирного узла кранового оборудования связан с повышенными требованиями к точности выполнения осевого отверстия и к точности изготовления самой вставки, что можно достигнуть только в производственных условиях на весьма качественном и высокоточном оборудовании, так как вставка после ее установки в ось должна составлять с ней одно целое для восприятия деформации полой оси шарнирного узла под действием усилия на грузозахватный орган грузоподъемного крана.
Наиболее близкой к предлагаемой полезной модели по совокупности существенных признаков является вставка для измерения деформации нагружаемого элемента конструкции, содержащая приемник деформации, фиксатор приемника деформации в полости оси нагружаемого элемента конструкции, снабженный разжимным приспособлением, преобразователь контролируемой величины в электрический сигнал, выполненный в виде тензометрического устройства, и механический трансформатор перемещения, связывающий приемник деформации с преобразователем контролируемой величины в электрический сигнал (RU 106951 U1, G01L 1/04, 27.07.2011).
Включение в состав измерительной вставки фиксатора приемника деформации в полости нагружаемого элемента конструкции, снабженного разжимным приспособлением, обеспечивает надежное крепление приемника деформации, в заданном положении, в полости оси при обычной точности исполнения элементов вставки и полости, что, в свою очередь, обеспечивает стабильность характеристики вставки в процессе ее эксплуатации. Кроме того, благодаря возможности крепления вставки в различных зонах полой оси с помощью фиксатора приемника деформации, предлагаемая вставка может быть использована в широком диапазоне измеряемых усилий. Однако данная вставка сложна по конструкции, так как содержит пять самостоятельных узлов, выполняющих разные функции. Кроме того, для извлечения разжимного приспособления из фиксатора приемника деформации при демонтаже вставки из глубоких отверстий необходимо специальное приспособление.
Раскрытие полезной модели
Задачей, на решение которой направлена предлагаемая полезная модель, является разработка вставки для измерения деформации нагружаемого элемента конструкции, обладающей более простой конструкцией и повышенной надежностью при обеспечении стабильности величины перемещения подвижных воспринимающих элементов приемника деформации во всем диапазоне деформаций нагружаемого элемента конструкции.
Дополнительные решаемые задачи и преимущества предлагаемой полезной модели будут понятны из последующего описания.
Решение поставленной задачи и достижение технического результата обеспечивается тем, что во вставке для измерения деформации нагружаемого элемента конструкции, содержащей: приемник деформации, имеющий два оппозитно расположенных воспринимающих элемента, контактирующих с цилиндрической поверхностью полости в нагружаемом элементе конструкции; фиксатор приемника деформации в полости нагружаемого элемента конструкции, связанный с приемником деформации и имеющий два упорных элемента, контактирующих с цилиндрической поверхностью полости в нагружаемом элементе конструкции; и тензометрический преобразователь контролируемой величины в электрический сигнал, согласно полезной модели, приемник деформации выполнен в виде плоского упругого измерительного элемента, имеющего утонение в его средней части, образующее два параллельно расположенных двуплечих рычага, снабженных воспринимающими элементами, один из которых выполнен неизменным по высоте, а другой воспринимающий элемент выполнен с возможностью регулирования его высоты; фиксатор приемника деформации выполнен в виде плоского упругого подковообразного элемента, концевые части которого снабжены упорными элементами, выполненными с возможностью регулирования их высоты; регулируемый по высоте воспринимающий элемент приемника деформации расположен между упорными элементами фиксатора приемника деформации; средняя часть подковообразного элемента фиксатора приемника деформации образует неизменный по высоте воспринимающий элемент приемника деформации и жестко соединена с соответствующим рычагом измерительного элемента; а тензометрический преобразователь контролируемой величины в электрический сигнал включает в себя тензорезисторы, расположенные на утонении плоского упругого измерительного элемента.
Решению поставленной задачи служат также частные существенные признаки полезной модели.
Измерительный элемент приемника деформации и его регулируемый по высоте воспринимающий элемент выполнены за одно целое из прямоугольной пластины, при этом в соответствующем двуплечем рычаге измерительного элемента выполнен прямой удлиненный вырез, отделенный от торца одного из плеч данного рычага перемычкой, в которой выполнены прорезь, образующая регулируемый по высоте воспринимающий элемент, связанный с другим плечом данного рычага посредством ленточной упругой связи, и отверстие с резьбой не на полную глубину, в которое ввернут винт, выполненный с возможностью поджатая регулируемого по высоте воспринимающего элемента к цилиндрической поверхности полости в нагружаемом элементе конструкции.
Подковообразный элемент фиксатора приемника деформации и его регулируемые по высоте упорные элементы выполнены за одно целое из плоской круглой заготовки, при этом на периферии подковообразного элемента выполнены два дугообразных выреза, отделенных от торцов его концевых частей перемычками, в которых выполнены две сквозные прорези, образующие регулируемые по высоте упорные элементы, связанные со средней частью подковообразного элемента посредством ленточных упругих связей, и два отверстия с резьбой не на полную глубину, в которые ввернуты винты, выполненные с возможностью поджатия упорных элементов к цилиндрической поверхности полости в нагружаемом элементе конструкции.
В средней части подковообразного элемента выполнено цилиндрическое отверстие, а рычаг упругого измерительного элемента, снабженный воспринимающим элементом неизменной высоты, выполнен с цилиндрическим наконечником, запрессованным в указанное цилиндрическое отверстие.
Предлагаемое техническое решение для определения деформации нагружаемого элемента конструкции исключает необходимость в наличии разжимного приспособления для фиксатора приемника деформации, как это имеет место в устройстве по патенту RU 106951 U1, что значительно упрощает конструкцию вставки и повышает ее надежность. При этом фиксатор приемника деформации взаимодействует с нагружаемым элементом конструкции в трех точках, что исключает угловое перемещение приемника деформации в условиях воздействия динамических нагрузок. Кроме того использование тензорезисторов, установленных на утонении плоского упругого элемента приемника деформации, упрощает конструкцию самого тензометрического преобразователя и исключает необходимость в механическом трансформаторе перемещения, связывающем приемник деформации с преобразователем контролируемой величины в электрический сигнал, что дополнительно упрощает конструкцию вставки и повышает технологичность ее изготовления.
Приведенные далее описание предлагаемой вставки 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 показано размещение предлагаемой вставки в полости нагружаемого элемента конструкции; на фиг. 2 - вид А на фиг. 1 (нагружаемый элемент конструкции не показан); на фиг. 3 - измерительный элемент приемника деформации; на фиг. 4 - упругий элемент фиксатора приемника деформации; на фиг. 5 - разрез Б-Б на фиг. 4. На приведенных рисунках одни и те же детали обозначены одинаковыми позициями.
Осуществление полезной модели
Предлагаемая вставка содержит приемник 1 деформации, расположенный в полости 2 нагружаемого элемента конструкции, фиксатор 3 приемника 1 деформации в полости 2 и тензометрический преобразователь контролируемой величины в электрический сигнал.
Нагружаемый элемент конструкции представляет собой, в частности, пустотелую ось 4 шарнирного узла кранового оборудования, имеющую концевые опорные части и расположенную между ними силовоспринимающую часть. Концевые опорные части закрыты с торцов заглушками, изолирующими внутреннюю полость 2 оси 4 от воздействия внешней среды (на чертеже не показаны).
Приемник 1 деформации выполнен в виде плоского упругого измерительного элемента 5, имеющего утонение 6 в его средней части, образующее два двуплечих рычага 7 и 8. Одно из плеч рычага 7 снабжено цилиндрическим наконечником 8, а на периферии рычага 8 выполнен прямой удлиненный вырез 9, отделенный от торца 10 одного из плеч рычага 8 перемычкой, в которой выполнены: прорезь 11, образующая воспринимающий элемент 12 приемника деформации, регулируемый по высоте и связанный с другим плечом рычага 8 посредством ленточной упругой связи 13; и отверстие 14 с резьбой не на полную глубину, в которое вворачивается винт 15, выполненный с возможностью поджатая воспринимающего элемента 12 к внутренней цилиндрической поверхности 16 полой оси 4. На обеих сторонах утонения 6 измерительного элемента 5 закреплены попарно четыре тензорезистора 17 тензометрического преобразователя контролируемой величины в электрический сигнал, соединенные в электрический мост (на чертеже не показан).
Фиксатор 3 приемника 1 деформации выполнен в виде плоского упругого подковообразного элемента 18, на периферии которого выполнены два дугообразных выреза 19, отделенных от торцов 20 концевых частей подковообразного элемента 18 перемычками, в которых выполнены: сквозные прорези 21, образующие регулируемые по высоте упорные элементы 22 фиксатора 3, связанные с его средней частью 23 посредством ленточных упругих связей 24; и отверстия 25 с резьбой не на полную глубину, в которые вворачиваются винты 26, выполненные с возможностью поджатия упорных элементов 22 к внутренней цилиндрической поверхности 16 полой оси 4. В средней части 23 подковообразного элемента 18 выполнено отверстие 27 под цилиндрический наконечник 8 рычага 7 измерительного элемента 5 приемника деформации.
Плоский упругий измерительный элемент 5 приемника 1 деформации, плоский упругий подковообразный элемент 18 фиксатора 3 приемника деформации и винты 15 и 26 выполнены из материалов, обладающих повышенной прочностью и износостойкостью.
Соединение приемника 1 деформации с фиксатором 3 производится путем запрессовки цилиндрического наконечника 8 рычага 7 измерительного элемента 5 в отверстие 26 в средней части 23 элемента 18, с расположением силовоспринимающего элемента 5 в плоскости симметрии подковообразного элемента 18. При этом регулируемый по высоте воспринимающий элемент 12 приемника деформации располагается между упорными элементами 22 фиксатора 3, а средняя часть 23 элемента 18 образует неизменный по высоте воспринимающий элемент приемника деформации.
Собранная вставка устанавливается в полость 2 оси 4 шарнирного узла кранового оборудования так, чтобы приемник 1 деформации располагался, предпочтительно, посередине силовоспринимающей части оси 4, а упорные элементы 22 фиксатора 3 были расположены симметрично относительно оси приложения нагрузки на шарнирный узел кранового оборудования. Средняя часть 23 подковообразного элемента 18 прижимается к внутренней цилиндрической поверхности 16 оси 4 и в резьбовые отверстия 25 вворачиваются винты 26. При этом упорные элементы 22 фиксатора 3 поджимаются к внутренней цилиндрической поверхности 16 оси 4, фиксируя приемник 1 деформации в полости 2 оси 4. Затем в резьбовое отверстие 14 вворачивается винт 15, прижимающий воспринимающий элемент 12 приемника деформации к внутренней цилиндрической поверхности 16 оси 4.
Предлагаемая вставка может быть выполнена также с цифровым выходом. В этом случае в полости 2 оси 4 размещается блок обработки сигналов с измерительной диагонали электрического моста 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 может быть произведена по известным правилам и не представляет труда для специалистов в данной области.
Вставка 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.
Вставка работает следующим образом.
Усилие Р, действующее на полую ось 4 шарнирного узла кранового оборудования, передается через воспринимающие элементы 12 и 23 приемника 1 деформации на его измерительный элемент 5. Тензорезисторы 17 изменяют свое сопротивление, происходит разбаланс электрического моста и изменение его выходного сигнала. Сигнал с выхода вставки 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.
Промышленная применимость Предлагаемая вставка может быть изготовлена промышленным способом на приборостроительном предприятии с использованием современных материалов, электронных компонентов и технологий. В качестве тензопреобразователей могут быть использованы тензорезисторы фирмы "ZEMIC" (КНР) или другие тензорезисторы подобного типа, например, тензорезисторы, выпускаемые ЗАО "Весоизмерительная компания "Тензо-М" (РФ).