ТЕНЗОМЕТРИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ СОСТАВЛЯЮЩИХ СИЛ И МОМЕНТОВ СИЛ В ДИНАМИКЕ ТВЕРДОГО ТЕЛА

Полезная модель относится к силоизмерительной технике и может быть использована в испытаниях для определения силовых нагрузок на движущиеся твердые тела.
Устройство основано на тензометрическом измерении сил, которое достаточно широко нашло применение в измерительной технике.
Известно устройство для измерения сил, представляющее собой динамометр для определения положения линии действия и компонент силы. Динамометр состоит из трех тензодатчиков, установленных в каждом из трех попарно перпендикурярных сечениий нагруженной конструкции и позволяет измерить смещения в этих сечениях (Дайчик М.Л., Пригоровский Н.И., Хуршудов Г.Х. Методы и средства натурной тензометрии. - М.: Машиностроение, 1989. - С.122).
Недостатком известного устройства является то, что непосредственно значения сил измерить нельзя, требуются дополнительные расчеты, а для определения сил в пространстве тензодатчики требуется устанавливать в трех попарно перпендикулярных измерительных плоскостях, что значительно усложняет конструкцию измерительного устройства.
Известно устройство для тензометрического измерения составляющих сил и моментов, выбранное в качестве прототипа, содержащее измеритель из системы тензодатчиков деформаций, снабженный упругим элементом, выполненным в виде полого цилиндра с кольцевым выступом в средней части и фланцами на концах, один из которых соединен с силопередающим рычагом. В качестве тензодатчиков деформаций на упругом элементе установлены тензодатчик угла скручивания фланцев вокруг оси цилиндра, тензодатчик перемещений фланцев по оси цилиндра, два тензодатчика разности смещений
2
диаметрально противоположных концов кольцевого выступа относительно скрепленного с корпусом фланца, два тензодатчика разности смещений тех же концов кольцевого выступа относительно другого фланца, а также по два тензодатчика разности смещений кольцевого выступа относительно фланцев, размещенные в перпендикулярной измерительной плоскости (авторское свидетельство СССР 507790, М. Кл. G01L 5/16).
Недостатком этого устройства является измерение только статических нагрузок, так как не предусмотрена его взаимосвязь с движущимся телом или с телом, находящимся в движущейся среде.
Предлагаемой полезной моделью решается задача обеспечения непосредственного определения значений составляющих сил и моментов сил, действующих на движущееся твердое тело.
Для решения поставленной задачи в тензометрическом устройстве для измерения составляющих сил и моментов сил в динамике твердого тела, содержащем измеритель из системы тензодатчиков деформаций, снабженный упругим элементом, выполненным в виде полого цилиндра с кольцевым выступом в средней части и фланцами на концах, один из которых соединен с силопередающим рычагом, в качестве тензодатчиков деформаций на упругом элементе установлены тензодатчик угла скручивания фланцев вокруг оси цилиндра, тензодатчик перемещений фланцев по оси цилиндра, два тензодатчика разности смещений диаметрально противоположных концов кольцевого выступа относительно скрепленного с корпусом фланца, два тензодатчика разности смещений тех же концов кольцевого выступа относительно другого фланца, а также по два тензодатчика разности смещений кольцевого выступа относительно фланцев, размещенные в перпендикулярной измерительной плоскости, согласно полезной модели фланец, соединенный с силопередающим рычагом, неподвижно закреплен в корпусе твердого тела, а другой фланец, являющийся основанием твердого тела, неподвижно закреплен в канале с движущейся средой так, что ось упругого элемента совпадает с осью инерции твердого тела, установленного в этом канале.
Непосредственное измерение составляющих сил и моментов сил, действующих на движущееся твердое тело, достигается за счет того, что измерительное устройство устанавливается в модели исследуемого твердого тела, изготовленной из любого легко обрабатываемого металла, и весь комплекс крепится в канале с движущейся средой посредством фланца, соединенного с силопередающим рычагом. Прочность крепления этого фланца обеспечивается резьбовым соединением.
Измерения проводят по трем направлениям, совпадающим с осями прямоугольной системы координат, условно неподвижной относительно твердого тела; одна из осей координат совпадает с осью инерции твердого тела. Геометрические параметры тела, а также скорость и направление движения могут быть переменными величинами.
На приведенном чертеже изображена конструкция предлагаемой полезной модели (фиг.1) с разрезами А-А (фиг.2) и Б-Б (фиг.3) и схемы соединения тензодатчиков (фиг.4-9) для измерения составляющих сил и моментов сил в прямоугольной системе координат.
Устройство для измерения составляющих сил и моментов сил в динамике твердого тела состоит из выполненных как одно целое фланца, являющегося основанием 1 твердого тела, и упругого элемента 2, выполненного в виде полого цилиндра с расположенным посередине кольцевым выступом 3 и фланцем 4, и измерителя, представленного системой тензодатчиков деформаций 5-20. В плоскости XZ расположение тензодатчиков следующее: тензодатчики 5 и 6 разности смещений кольцевого выступа 3 относительно основания 1 твердого тела закреплены на основании 1 твердого тела, тензодатчики 7 и 8 разности смещений кольцевого выступа 3 относительно фланца 4 закреплены на фланце 4, соединенном с силопередающим рычагом, тензодатчики 9 и 10 перемещения фланца 4 и основания 1 по оси цилиндра расположены соосно с цилиндром упругого элемента 2 и закреплены на силопередающем рычаге, тензодатчики 11 и 12 смещения фланца 4 и основания 1 относительно кольцевого выступа 3 с помощью кронштейнов установлены соответственно
на фланце 4 и основании 1 твердого тела. Пары тензодатчиков 6, 8 и 11, 12 являются датчиками разности смещений кольцевого выступа 3 относительно фланца 4 и основания 1. В плоскости XY так же установлены тензодатчики 13 -18 смещений кольцевого выступа 3 относительно фланца 4 и основания 1. Тензодатчики 19, 20 угла скручивания тела и сердечник-кронштейн 21 установлены внутри корпуса 22 тела так, что сердечник-кронштейн 21 неподвижно закреплен на основании 1, а сердечник 23 между тензодатчиками 9, 10 перемещения фланца 4 и основания 1 по оси цилиндра неподвижно закреплен на фланце 4 упругого элемента, который вместе с основанием 1 неподвижно установлен внутри корпуса 22 твердого тела. Основание 1 твердого тела неподвижно закреплено в канале с движущейся средой так, что ось упругого элемента 2 совпадает с осью инерции твердого тела, установленного в этом канале. Весь измерительный комплекс с твердым телом неподвижно крепится в канале с движущейся средой посредствоиспользованы индуктивные тензорезисторы.
Z
Z
При возникновении внешней нагрузки на тело измерительное устройство работает следующим образом. Полумост на фиг.4 регистрирует составляющую P внешней нагрузки благодаря тому, что только такая нагрузка вызывает различные сближения тензодатчиков 5, 7 с кольцевым выступом 3, причем величина этой разности пропорциональна нагрузке P. Чувствительность тензодатчиков 5 и 7 одинакова за счет подбора соответствующих начальных зазоров между ними и кольцевым выступом 3.
Y
Z
Полумост на фиг.5 регистрирует составляющую Р внешней нагрузки, принцип его работы аналогичен схеме измерения составляющей P.
X
Полумост на фиг.6 регистрирует составляющую внешней нагрузки Р благодаря тому, что измерительные оси тензодатчиков 9, 10 перемещения фланца 4 относительно основания 1 совпадают с осью жесткости цилиндра. В результате другие составляющие нагрузки не приводят к появлению разности сближений тензодатчиков 9, 10 с сердечником 23.
X
Полумост на фиг.7 регистрирует только составляющую внешнего момента М, которая вызывает пропорциональную разность сближений
тензодатчиков 19, 20 угла скручивания корпуса 22 тела вокруг оси цилиндра с сердечником-кронштейном 21. Одинаковая чувствительность тензодатчиков при этом также достигается за счет подбора соответствующих зазоров между тензодатчиком и сердечником.
Y
Z
Z
Полумост на фиг.8 регистрирует составляющую М внешнего момента благодаря тому, что чувствительность тензодатчиков 6, 12 и 8, 11 разности смещений кольцевого выступа относительно фланца 4 и основания 1 подобрана попарно одинаковой с таким соотношением между этими парами, что сигналы от поперечной силы P, возникающие в тензодатчиках 6 и 12, 8 и 11, равны между собой. Соотношение чувствительности этих тензодатчиков устанавливают путем изменения начальных зазоров между каждым тензодатчиком и кольцевым выступом 3 в зависимости от положения линии действия составляющей P относительно фланца 4 упругого элемента.
Z
Y
y
Полумост на фиг.9 регистрирует только составляющую M внешнего момента. Схема его работы аналогична предыдущей схеме измерения составляющей M. Соотношение чувствительности тензодатчиков 13, 18 и 16, 17 разности смещений кольцевого выступа 3 относительно фланца 4 и основания 1 выбирают в зависимости от положения линии действия составляющей Р относительно фланца 4 упругого элемента.
Таким образом, предлагаемое тензометрическое устройство для измерения составляющих сил и моментов сил в динамике твердого тела позволяет непосредственно определять значения составляющих сил и моментов сил, действующих на движущееся твердое тело.