ВСТАВКА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ДЕФОРМАЦИИ НАГРУЖАЕМОГО ЭЛЕМЕНТА КОНСТРУКЦИИ (ВАРИАНТЫ)

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.
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, В66С 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. 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.
Поставленная техническая задача и достижение технического результата достигается тем, что по первому варианту исполнения во вставке для измерения деформации нагружаемого элемента конструкции, содержащей приемник деформации, снабженный двумя оппозитно расположенными воспринимающими элементами, контактирующими 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 кольцеобразного измерительного элемента, на внешней цилиндрической поверхности которого расположены указанные воспринимающие элементы, а на внутренней цилиндрической поверхности закреплены тензорезисторы тензометрического преобразователя контролируемой величины в электрический сигнал, при этом один из воспринимающих элементов выполнен неизменным по высоте, а другой воспринимающий элемент выполнен с возможностью регулирования его высоты.
Решению поставленной задачи служат также частные существенные признаки полезной модели.
Измерительный элемент и воспринимающие элементы приемника деформации выполнены за одно целое из заготовки в виде плоского кольца, на внешней цилиндрической поверхности которого выполнен дугообразный вырез, а на периферии - дугообразное отверстие, расположенное напротив дугообразного выреза, с образованием плоского упругого кольцеобразного измерительного элемента и двух перемычек между дугообразным вырезом и дугообразным отверстием, при этом одна из перемычек образует неизменный по высоте воспринимающий элемент, а в другой перемычке выполнены сквозная прорезь с образованием регулируемого по высоте воспринимающего элемента, связанного с неизменным по высоте воспринимающим элементом посредством ленточной упругой связи, и отверстие с резьбой не на полную глубину, в которое ввернут винт, выполненный с возможностью поджатия регулируемого по высоте воспринимающего элемента к цилиндрической поверхности полости в нагружаемом элементе конструкции.
В соответствии со вторым вариантом исполнения во вставке для измерения деформации нагружаемого элемента конструкции, содержащей приемник деформации, снабженный воспринимающими элементами, контактирующими 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 кольцеобразного измерительного элемента, на внешней цилиндрической поверхности которого расположены три воспринимающих элемента, а на внутренней цилиндрической поверхности закреплены тензорезисторы тензометрического преобразователя контролируемой величины в электрический сигнал, при этом один из воспринимающих элементов выполнен неизменным по высоте, а два других воспринимающих элемента выполнены с возможностью регулирования их высоты и расположены симметрично относительно оси приложения нагрузки.
Решению поставленной задачи служат также частные существенные признаки полезной модели.
Измерительный элемент и воспринимающие элементы приемника деформации выполнены за одно целое из заготовки в виде плоского кольца, на внешней цилиндрической поверхности которого выполнен дугообразный вырез, а на периферии - два симметрично расположенных дугообразных отверстия, с образованием плоского упругого кольцеобразного измерительного элемента и трех перемычек, при этом перемычка между дугообразными отверстиями образует неизменный по высоте воспринимающий элемент, а в каждой из перемычек между дугообразным вырезом и дугообразным отверстием выполнена сквозная прорезь, образующая регулируемый по высоте воспринимающий элемент, связанный с неизменным по высоте воспринимающим элементом 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.
Выполнение приемника деформации в виде плоского упругого кольцеобразного измерительного элемента и снабжение его одним регулируемым по высоте воспринимающим элементом (по первому варианту полезной модели), или двумя регулируемыми по высоте воспринимающими элементами (по второму варианту полезной модели), существенно упрощает конструкцию вставки и повышает ее надежность. При этом обеспечивается постоянный контакт воспринимающих элементов приемника деформации с внутренней цилиндрической поверхностью нагружаемого элемента конструкции при обычных требованиях к точности выполнения контактирующих поверхностей и стабильность величины перемещения подвижных воспринимающих элементов во всем диапазоне деформаций нагружаемого элемента конструкции.
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 вставки в полости оси шарнирного узла кранового оборудования в соответствии с первым вариантом исполнения полезной модели; на фиг. 2 - вид А на фиг. 1; на фиг. 3 - измерительный элемент приемника деформации в плане по первому примеру исполнения; на фиг. 4 - разрез Б-Б на фиг. 3; на фиг. 5 - размещение вставки в полости оси шарнирного узла кранового оборудования в соответствии со вторым вариантом исполнения полезной модели; на фиг. 6 - вид В на фиг. 5; на фиг. 7 - измерительный элемент приемника деформации в плане по второму примеру исполнения; на фиг. 8 - разрез Г-Г на фиг. 7. На приведенных рисунках одни и те же детали обозначены одинаковыми позициями.
Осуществление полезной модели
По первому варианту исполнения предлагаемая вставка содержит приемник 1 деформации, расположенный в полости 2 нагружаемого элемента конструкции, и тензометрический преобразователь контролируемой величины в электрический сигнал.
Нагружаемый элемент конструкции представляет собой, в частности, пустотелую ось 3 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 3 от воздействия внешней среды (на чертеже не показаны).
Приемник 1 деформации выполнен в виде плоского упругого кольцеобразного измерительного элемента 4, снабженного двумя оппозитно расположенными воспринимающими элементами 5 и 6, контактирующими с внутренней цилиндрической поверхностью 7 оси 3. Воспринимающий элемент 5 выполнен неизменным по высоте (на чертежах элемент 5 условно отделен от элемента 4 пунктирной линией), а воспринимающий элемент 6 выполнен регулируемым по высоте.
Измерительный элемент 4 и два воспринимающих элемента 5 и 6 выполнены за одно целое из заготовки в виде плоского кольца, на внешней цилиндрической поверхности 8 которого выполнен дугообразный вырез 9, а на периферии - дугообразное отверстие 10, расположенное напротив дугообразного выреза 9, с образованием плоского упругого кольцеобразного измерительного элемента 4 и двух перемычек между дугообразным вырезом 9 и дугообразным отверстием 10. Одна из перемычек образует неизменный по высоте воспринимающий элемент 5, а в другой из перемычек выполнены: сквозная прорезь 11 с образованием регулируемого по высоте воспринимающего элемента 6, связанного с воспринимающим элементом 5 посредством ленточной упругой связи 12; и отверстие 13 с резьбой не на полную глубину, в которое вворачивается винт 14, выполненный с возможностью поджатия воспринимающего элемента 6 к внутренней цилиндрической поверхности 7 оси 3. На внутренней цилиндрической поверхности 15 измерительного элемента 4 закреплены четыре тензорезистора 16 тензометрического преобразователя контролируемой величины в электрический сигнал, соединенные в электрический мост (на чертеже не показан).
Вставка устанавливается в полость 2 оси 3 шарнирного узла кранового оборудования так, чтобы приемник 1 деформации располагался, предпочтительно, посередине силовоспринимающей части оси 3. Воспринимающий элемент 5 приемника деформации прижимается к внутренней поверхности 7 оси 3 и в резьбовое отверстие 13 вворачивается винт 14, прижимающий воспринимающий элемент 6 приемника деформации к внутренней поверхности 7 оси 3.
Предлагаемая вставка может быть выполнена с цифровым выходом. В этом случае в полости оси 3 шарнирного узла кранового оборудования 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 3 шарнирного узла кранового оборудования, передается через воспринимающие элементы 5 и 6 на измерительный элемент 4. Тензорезисторы 16 изменяют свое сопротивление, происходит разбаланс электрического моста и изменение его выходного сигнала. Сигнал с выхода датчика 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.
По второму варианту исполнения предлагаемая вставка содержит приемник 101 деформации, расположенный в полости 102 нагружаемого элемента конструкции, и тензометрический преобразователь контролируемой величины в электрический сигнал.
Нагружаемый элемент конструкции представляет собой, в частности, пустотелую ось 103 шарнирного узла кранового оборудования, имеющую концевые опорные части и расположенную между ними силовоспринимающую часть. Концевые опорные части закрыты с торцов заглушками, изолирующими внутреннюю полость 102 оси 103 от воздействия внешней среды (на чертеже не показаны).
Приемник 101 деформации выполнен в виде плоского упругого кольцеобразного измерительного элемента 104, снабженного одним воспринимающим элементом 105, неизменным по высоте (на чертежах элемент 105 условно отделен от элемента 104 пунктирной линией), и двумя регулируемыми по высоте воспринимающими элементами 106, контактирующими с внутренней цилиндрической поверхностью 107 оси 103.
Измерительный элемент 104, воспринимающий элемент 105 и два воспринимающих элемента 106 приемника 101 деформации выполнены за одно целое из заготовки в виде плоского кольца, на внешней цилиндрической поверхности 108 которого выполнен дугообразный вырез 109, а на периферии - два симметрично расположенных дугообразных отверстия 110, с образованием плоского упругого кольцеобразного измерительного элемента 104 и трех перемычек. Перемычка между дугообразными отверстиями 110 образует воспринимающий элемент 105, неизменный по высоте, а в каждой перемычке между дугообразным вырезом 109 и дугообразным отверстием ПО выполнены: сквозная прорезь 111, образующая регулируемый по высоте воспринимающий элемент 106, связанный с неизменным по высоте воспринимающим элементом 105 посредством ленточной упругой связи 112; и отверстие 113 с резьбой не на полную глубину, в которое вворачивается винт 114, выполненный с возможностью поджатая воспринимающего элемента 106 к внутренней цилиндрической поверхности 107 полой оси 103. На внутренней цилиндрической поверхности 115 измерительного элемента 104 закреплены четыре тензорезистора 116 тензометрического преобразователя контролируемой величины в электрический сигнал, соединенные в электрический мост (на чертеже не показан).
Вставка устанавливается в полость 102 оси 103 шарнирного узла кранового оборудования так, чтобы приемник 101 деформации располагался, предпочтительно, посередине силовоспринимающей части оси 103, а воспринимающие элементы 106 были расположены симметрично относительно оси приложения нагрузки на шарнирный узел кранового оборудования. Воспринимающий элемент 105 приемника деформации прижимается к внутренней цилиндрической поверхности 107 оси 103 и в резьбовые отверстия 113 вворачиваются винты 114, прижимающие воспринимающие элементы 106 приемника деформации к внутренней цилиндрической поверхности 107 оси 103.
Выполнение вставки с цифровым выходом и ее подключение к управляющему устройству производится так же, как и по первому варианту исполнения предлагаемой вставки.
Вставка работает следующим образом.
Усилие Р, действующее на полую ось 103 шарнирного узла кранового оборудования, передается через воспринимающие элементы 105 и 106 на измерительный элемент 104. Тензорезисторы 116 изменяют свое сопротивление, происходит разбаланс электрического моста и изменение его выходного сигнала. Сигнал с выхода вставки поступает на вход управляющего устройства.
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).