УДАРОПРОЧНЫЕ ВЕСЫ "ГРАНИТ+"

Полезная модель относится к весоизмерительной технике и может использоваться в металлургической, горнодобывающей промышленности и в машиностроении, для которых характерны нагрузки ударного типа.
Известно ударопрочное весоизмерительное устройство, содержащее грузоприемную платформу в виде верхней и нижней рам с демпфирующими узлами между ними, опирающуюся на стойки основания через узлы встройки с тензодатчиками, соединенными кабелями с весовым терминалом, причем на стойках основания закреплены кронштейны с резьбами, в которых установлены с возможностью поворота до контакта с пятками верхней рамы упорные болты с контргайками, а демпфирующие узлы выполнены в виде пружин, закрепленных шпильками на бобышках на верхней и нижней рамах (1).
Известны также, принятые за прототип, весы для взвешивания в условиях ударных нагрузок, включающий частичное поглощение энергии ударов совместным действием упругих элементов (пружин) и односторонних амортизаторов, а так же посадку грузоприемной платформы, нагруженной до наибольшего предела взвешивания (НПВ), на упоры, связанные с основанием весов (2).
Недостатком известных весов и прототипа является невысокая надежность работы при тяжелых ударах, в ряде случаев приводящих к поломкам, в первую очередь самих упоров, как наиболее нагруженных элементов конструкции.
1
Если представить расчетную схему весов в виде невесомой балки с приведенной массой m (см. фиг.1а), по которой ударяет груз m, падающий с высоты Н, то при абсолютно неупругом ударе максимальная сила, нагружающая балку (т.е. конструкцию весов), будет равна (3):
,
где с - статическая жесткость системы в точке соударения.
mах
Из формулы видно, что, при жесткой конструкции весов и компактном жестком грузе (например, слитке) максимальная нагрузка P может во много раз превосходить вес груза mg. При заданной высоте Н падения груза практически единственным средством снижения максимальных нагрузок в системе является снижение ее жесткости с, т.е. включение в конструкцию специальных упругих элементов.
Нужно, однако, иметь в виду, что к конструкции весов и системе их защиты предъявляются достаточно противоречивые требования. С одной стороны, при штатных условиях работы (подавляющая доля случаев), когда взвешиваемый груз плавно опускается на грузовую платформу, просадка весов должна быть ограниченной. А это требует, чтобы пружины, если они есть, были достаточно жесткими.
С другой стороны, защита конструкции от перегрузок в экстремальных случаях (при падении груза), непременно требует, чтобы система защиты обладала достаточно высокой податливостью и энергоемкостью, соизмеримой с энергией удара.
И, наконец, конструкция весов во всех случаях должна обладать достаточно высоким декрементом колебаний, обеспечивающим быстрое затухание колебаний грузовой платформы, возникающих в любых реально реализуемых случаях загрузки.
Задачей, на решение которой направлена полезная модель, является защита весов от удара, обеспечивающая неповреждение тензо-датчиков и несущей конструкции весов при условии ограниченной энергоемкости элемента защиты тензодатчиков, и обеспечение быстрого затухания колебаний в системе.
Технический результат достигается за счет того, что при ударной нагрузке на весы последовательно включаются в работу демпфирующие узлы сравнительно малой вязкости, обеспечивающие защиту тензодатчиков, а затем энергоемкие элементы с большой внутренней вязкостью, смягчающие действие упоров и защищающие конструкцию самой грузоприемной платформы.
Сущность предлагаемой ударозащиты весов «ГРАНИТ+» состоит в разделении функций защиты между двумя независимыми блоками элементов, один из которых защищает от перегрузок измерительные тензодатчики, а другой - упоры и несущую конструкцию весов. Конструктивно задача решается введением в силовую схему весов последовательно с блоком элементов защиты тензодатчиков (пружин) также упругодемпферных элементов с высоким уровнем рассеяния энергии, который после замыкания системы защиты тензодатчиков образует совместно с грузоприемной платформой низкодобротную колебательную систему с наперед заданной жесткостью, ограничивающую максимальные нагрузки в упорах и в несущей конструкции весов.
Для реализации данной идеи предлагается следующая конструкция весов:
На фундаменте весов (или на основании весов) устанавливаются тензодатчики, измеряющие действующую на них нагрузку, и передающие измеренное значение в подключенный к ним (скоммутированный с ними) весовой терминал. На каждом из тензодатчиков устанавливается защитный блок, состоящий из пружины и параллельно подключенного к ней одностороннего амортизатора. Грузоприемная платформа опирается на тензодатчики через эти защитные блоки. Для ограничения хода грузоприемной платформы при ударах используются упоры, установленные между фундаментом (или основанием весов) и грузоприемной платформой. Для защиты упоров и грузоприемной платформы от ударов, на грузоприемной платформе выполнено верхнее основание, содержащее упругодемпферные элементы (или состоящее из них). Упругодемпферные элементы имеют высокую энергоемкость при упругой и пластической деформации.
На фиг.1а приведена обобщенная расчетная схема весов, на фиг.1б - конструкция весов, а фиг.2 поясняет принцип действия ударозащиты.
Ударопрочные весы «ГРАНИТ+» предусматривают снижение нагрузок, возникающих в конструкции весов при падении или слишком быстром опускании взвешиваемого груза 1 на верхнее основание 2 грузоприемной платформы 3. Упругие элементы 4 (пружины) в стаканах 5 установлены на верхние опоры 6 тензометрических датчиков 7, нижние опоры 8 которых связаны с фундаментом 9 или основанием весов. Упоры 10, головки которых выполнены как вывинчиваемые и фиксируемые болты, до начала работы настраивают так, что при нагружении весов сверх наибольшего предела взвешивания (НПВ) на 10-15% происходит посадка платформы 3 на упоры 10, ограничивающие дальнейшее поджатие пружин 4 и увеличение нагрузки на тензометрические датчики 7. Теперь нагрузка от верхнего основания 2 платформы к основанию 9 весов передается не через тензодатчики 7, а через упругодемпферный элемент 11, платформу 3 и упоры 10. Заметим, что при поджатии пружин 4 одновременно поджимается и односторонний демпфер 12, установленный на полке 13 параллельно пружинам 4. Разжатие пружин 4, таким образом, будет сопряжено с преодолением вязкого трения в демпфере 12.
Работу весов поясним с помощью позиций а), б) и в) фиг.2, показывающих различие в работе известных весов, весов - прототипа и предлагаемых весов.
max
Рассмотрим фиг.2а, в упрощенном виде показывающую защиту весов с помощью только пружин 4 и упоров 10, реализованную в известных весах. При падении или слишком быстром опускании на грузоприемную платформу 3 груза 1, близкого по весу к НПВ, пружины 4 нагружаются только силой P=(1,1…1,15)(НПВ), при которой происходит замыкание упоров 10. Дальнейшее проседание платформы 3, обусловленное продолжающимся ростом нагрузки, связано с упругой деформацией всей конструкции весов и накоплением в ней потенциальной энергии. Как показывают расчеты, при жестких ударах (ударах с большой скоростью), энергия, поглощенная пружинами 4, составляет малую долю от энергии падающего тела. Основная же часть энергии удара переходит в потенциальную энергию деформации конструкции, в первую очередь упоров 10, где возникают высокие напряжения и возможно возникновение пластических деформаций. После фазы нагружения наступает фаза разгрузки с размыканием упоров 10 и последующими медленно затухающими колебаниями платформы 3 на пружинах 4.
Эта ударозащита, реализованная в патенте РФ №26649, защищает от перегрузки тензодатчики 7, но не защищает сами упоры 10 и несущую конструкцию весов и, кроме того, значительно снижая за счет пружин 4 частоту колебаний системы, удлиняет время затухания колебаний (успокоения весов).
На фиг.2б показана ударозащита, реализованная в прототипе - патенте РФ №51206. Отличие от предыдущего варианта состоит в подсоединении параллельно пружине 4 демпфера 12 вязкого трения с односторонним действием, который не оказывает сопротивления сжатию в активной фазе удара, и, тем самым, дополнительно не нагружает тензодатчик 7 силами, зависящими от скорости движения платформы 3, но рассеивает энергию колебаний платформы 3 и уменьшают время их затухания при штатных режимах и при ударном нагружении платформы, т.к. разжатие пружин 4 сопряжено с преодолением вязкого трения в демпфере 12.
Эта ударозащита ускоряет затухание колебаний, несколько уменьшая накопление усталостных повреждений в конструкции, но не уменьшает вероятность появления в ней пластических деформаций при тяжелых ударах.
у
в
Фиг.2в представляет силовую схему предложенного на фиг.1б варианта конструкции весов «ГРАНИТ+». Здесь в силовую схему весов последовательно с пружиной 4 включен упругодемпферный элемент 11. Упругие свойства элемента 11 представлены пружиной 11, а демпфирующие свойства - поршнем 11.
Рассмотрим на модели фиг.2в, как работает предлагаемая ударозащита.
При установке груза на верхнее основание 2 платформы 3 вначале деформируются элементы защиты тензодатчиков 7: пружины 4 и демпфер 12, а так же упругодемпферный элемент 11 защиты несущей конструкции. При нагрузке, превышающей 1,1 НПВ, упоры 10 замыкаются и выключают из работы пружины 4, защищая тензодатчики 7, а упругодемпферный элемент 11, продолжая деформироваться вплоть до остановки верхнего основания 2 платформы 3 (конец активной фазы), поглощает энергию удара. После этого начинается фаза разгрузки - сначала разжимается упругодемпферный элемент 11, а после падения силы на пружине 4 до 1,1 НПВ разжимается пружина 4 и демпфер 12, рассеивая энергию, накопленную в пружине 4.
Достоинством предлагаемой ударозащиты, состоящей в разделении функций между двумя независимыми элементами, является возможность оптимизации параметров системы защиты. Дело в том, что к рассмотренным двум блокам защиты предъявляются различные требования. Так, максимальная сила, воспринимаемая пружинами 4, не должна превосходить (1,1…1,15) НПВ, осадка должна быть ограниченной, а вязкое трение в демпфере 12 при прямом ходе (вниз) должно отсутствовать. В этом случае энергоемкость пружин 4 будет ограничена их жесткостью и осадкой. Между тем, защита конструкции от перегрузок при ударах груза, обладающего большим запасом энергии, непременно требует, чтобы система защиты обладала энергоемкостью, соизмеримой с энергией удара. Вот это противоречие и позволяет решить проблему разделения функций защиты между двумя блоками, удваивающий число свободных параметров при решении оптимизационной задачи.
При этом облегчается решение не только задач прочности датчиков и конструкции, но и задачи оптимизации времени успокоения системы.
1. Патент РФ №26649, МКИ7 G01G 21/12, приоритет 26.02.02 г.
2. Патент РФ №51206, с приоритетом от 23.08.2005 г.
3. В.Л.Бидерман, Теория механических колебаний, учебник для вузов, М.; Изд. Высш. шк.; 1980; 408 с.