УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ УСИЛИЙ СЖАТИЯ НА ПРЕССЕ
DEVICE TO MEASURE PRESS COMPRESSION FORCE

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерений усилий при исследовании технологических процессов, например, в металлургии для измерения усилий при обработке материалов давлением.
Известно устройство для измерения усилий сжатия, содержащее на круговом шариковом основании упругий элемент в виде диска, снабженный силовводящим элементом шаровой формы. При этом на нижней торцевой поверхности диска расположены консольные стойки, по периметру которых навиты тензопреобразователи (см. а.с. СССР №201740, G01L 1/04, 1/22).
Недостатком известного устройства является низкая точность измерения усилий сжатия вследствие неравномерности деформации дискообразного упругого элемента, смещенного относительно шарикового основания. Это происходит в результате воздействия значительных поперечных сил, действующих на силовводящий элемент шаровой формы при упругом смещении оснастки пресса. При этом величина поперечных сил может составлять до 10% от значения рабочего усилия из-за наличия трения покоя скольжения или трения микроскольжения между однородными материалами силовводящего элемента и оснастки пресса (сталь по стали).
Наиболее близким аналогом к заявляемому объекту является емкостный датчик силы, содержащий расположенный в центре основания упругий        элемент с углублением на его поверхности, свободно размещенный в углублении силовводящий шаровой элемент и датчики, установленные на упругом элементе. При этом упругий элемент выполнен в виде двух одинаковых, жестко соединенных между собой с образованием полости мембран с центральными втулками, на наружной поверхности одной из которых выполнено углубление, а изнутри полости втулки соединены с электродами разных диаметров емкостного преобразователя, подключенного к электронной системе. При этом нагружение силовводящего шарового элемента осуществляют посредством воздействия на него штока (см. патент РФ №2065588, G01L 1/14).
Недостатком данного устройства является низкая точность измерения усилий сжатия из-за неравномерности деформации мембранного упругого элемента вследствие значительного воздействия на силовводящий шаровой элемент поперечных усилий, возникающих при упругом поперечном смещении штока. При этом величина нежелательных поперечных усилий может составлять до 10% измеряемой рабочей нагрузки из-за наличия трения покоя скольжения или трения микроскольжения между однородными материалами силовводящего элемента и штока, что отрицательно влияет на точность проводимых измерений.
Задача, решаемая изобретением, заключается в повышении точности измерения усилий сжатия. Технический результат обеспечивается значительным уменьшением величины возникающих при упругом смещении поперечных усилий путем замены трения покоя скольжения или микроскольжения на трение покоя качения или микрокачения.
Поставленная задача решается тем, что известное устройство для измерения усилий сжатия на прессе, содержащее расположенный в центре основания упругий элемент с углублением на его поверхности, свободно размещенный в углублении силовводящий шаровой элемент, и датчики, установленные на упругом элементе, согласно изобретению снабжено полой цилиндрической стойкой, жестко закрепленной на основании с охватом упругого элемента, кольцевым упором, съемным центрирующим кольцом и дополнительным силовводящим шаровым элементом, при этом упругий элемент имеет форму перевернутого вверх дном стакана, стенка которого выполнена за одно целое с основанием, а дно выполнено в виде углубления с осевым отверстием, кольцевой упор установлен внутри полой цилиндрической стойки с возможностью фиксации на внутренней ее поверхности и под ним в свободном положении установлена пластина так, что нижняя ее поверхность контактирует с силовводящим шаровым элементом, размещенным в углублении дна стакана, а верхняя - с кольцевым упором, сверху на который установлено съемное центрирующее кольцо с размещенным внутри него дополнительным силовводящим шаровым элементом, опертым на верхнюю поверхность пластины, при этом со стороны кольцевого упора в основании съемного центрирующего кольца выполнены сквозные вырезы, расположенные диаметрально противоположно по образующей кольца, а в полой цилиндрической стойке соосно сквозным вырезам выполнены сквозные отверстия, в которых подвижно установлены стержни для фиксации дополнительного силовводящего шарового элемента в диаметральной плоскости, перпендикулярной оси симметрии устройства.
Сущность заявляемого изобретения поясняется чертежами, где:
на фиг.1 схематично изображен общий вид устройства для измерения усилий сжатия на прессе, в разрезе;
на фиг.2 - разрез А-А на фиг.1;
на фиг.3 схематично изображено заявляемое устройство в работе.
Устройство для измерения усилий сжатия на прессе содержит расположенный в центре основания 1 (фиг.1, 3) упругий элемент 2, выполненный в виде перевернутого стакана, стенка 3 которого выполнена за одно целое с основанием 1, а дно 4 выполнено в виде углубления 5 с осевым отверстием 6.
Такое конструктивное выполнение упругого элемента 2 обеспечивает его устойчивость при нагружении в процессе работы, что влияет на точность и стабильность измерения усилий сжатия.
На основании 1 с охватом упругого элемента 2 жестко закреплена полая цилиндрическая стойка 7 (фиг.1-3), внутри которой установлен с возможностью фиксации кольцевой упор 8 (фиг.1, 3). Причем кольцевой упор 8 жестко зафиксирован на внутренней поверхности стойки 7 посредством двух противоположно установленных в ней винтов 9. В углублении 5 дна 4 упругого элемента 2 свободно размещен силовводящий шаровой элемент 10, а между ним и кольцевым упором 8 установлена в свободном положении пластина 11 так, что нижняя ее поверхность контактирует с поверхностью силоводящего шарового элемента 10, а верхняя - с кольцевым упором 8. Сверху на кольцевой упор 8 установлено съемное центрирующее кольцо 12 (фиг.1, 2), в основании которого со стороны кольцевого упора 8 выполнены сквозные вырезы 13. При этом сквозные вырезы 13 (фиг.2) расположены диаметрально противоположно по образующей центрирующего кольца 12, а соосно им в полой цилиндрической стойке 7 выполнены сквозные отверстия 14 (фиг.1-3), в которых подвижно по посадке с зазором установлены стержни 15. Внутри съемного центрирующего кольца 12 размещен дополнительный силовводящий шаровой элемент 16 (фиг.1, 3), который нижней частью оперт на верхнюю поверхность пластины 11, а в диаметральной плоскости, перпендикулярной оси симметрии устройства, он зафиксирован подвижными стержнями 15, пропущенными через сквозные вырезы 13 центрирующего кольца 12.
На наружной поверхности стенки 3 (фиг.1, 3) упругого элемента 2 закреплены датчики 17, предназначенные для преобразования усилий сжатия в электрические сигналы.
В качестве датчиков 17 могут быть использованы тензодатчики любой известной конструкции, например, описанные в книге М.Х.Ахметзянова, П.В.Грес, И.Б.Лазарева «Сопротивление материалов». - М.: Высшая школа, 2007 г., с.311-313, рис.14.4.
Позицией 18 на фиг.3 обозначен шток.
Сборку заявляемого устройства для измерения усилий сжатия на прессе осуществляют следующим образом. В полости цилиндрической стойки 7 (фиг.1, 3), жестко закрепленной на основании 1, последовательно устанавливают силовводящий шаровой элемент 10, свободно размещая его в углублении 5 дна 4 упругого элемента 2 с предварительно установленными на поверхности последнего датчиками 17, затем пластину 11 в свободном положении и кольцевой упор 8. Причем пластину 11 устанавливают так, чтобы ее нижняя поверхность контактировала с поверхностью силовводящего шарового элемента 10, а верхняя - плотно соприкасалась с нижней поверхностью кольцевого упора 8, который в данном положении жестко фиксируют на внутренней поверхности цилиндрической стойки 7 посредством винтов 9.
После этого на кольцевой упор 8 устанавливают съемное центрирующее кольцо 12 так, чтобы геометрические оси его вырезов 13 совпали с осями сквозных отверстий 14 цилиндрической стойки 7. В полость съемного центрирующего кольца 12 вводят дополнительный силовводящий шаровой элемент 16 до контакта его с верхней поверхностью пластины 11, что позволяет обеспечить центрирование его по оси устройства. Стержнями 15, подвижно установленными в отверстиях 14 и вырезах 13, дополнительный силовводящий шаровой элемент 16 фиксируют в диаметральной плоскости, перпендикулярной оси симметрии устройства. Затем съемное центрирующее кольцо 12 (фиг.3) вынимают из полости стойки 7 (фиг.3), после чего заявляемое устройство готово к измерению усилия сжатия (F), которое осуществляют следующим образом.
В полость цилиндрической стойки 7 (фиг.3) вводят шток 18 пресса (на фиг. не показан), посредством которого нагружают дополнительный силовводящий шаровой элемент 16. Возникающее при этом от действия упругого смещения штока 18 поперечные силы передаются на дополнительный силовводящий элемент 16, и в точке контакта его с находящейся в свободном положении пластиной 11 возникают силы трения покоя качения или микрокачения, величина которых значительно меньше (примерно на два порядка) величины сил трения покоя скольжения или микроскольжения. То есть заявляемое устройство обеспечивает возможность замены сил трения покоя скольжения или микроскольжения на силы покоя качения или микрокачения и позволяет последовательно через точки контакта дополнительного силовводящего шарового элемента 16, пластины 11 и силовводящего шарового элемента 10 передавать измеряемое усилие сжатия на упругий элемент 2 по нормали практически без поперечных составляющих или со значительно небольшой их величиной. Это позволяет предотвратить неравномерность деформации упругого элемента 2 силовводящим шаровым элементом 10, а следовательно, приводит к повышению точности измерения датчиками 17 усилия сжатия. После измерения усилия сжатия шток пресса 18 выводят из полой цилиндрической стойки 7 (фиг.1) и вводят в нее съемное центрирующее кольцо 12 до окончательного центрирования дополнительного силовводящего шарового элемента 16, положение которого фиксируют стержнями 15. После этого заявляемое устройство готово к очередному замеру усилия сжатия.
Для обоснования преимуществ заявляемого устройства в сравнении с прототипом были проведены лабораторные испытания по измерению усилий сжатия.
В ходе испытаний производили нагружение устройства-прототипа и заявляемого устройства. Фиксирование усилий осуществляли динамометром ДОСМ-3-100. Заявляемое устройство и прототип поочередно устанавливали между траверсами пресса марки ГМС-50, скорость подачи траверсы 0,001 м/мин.
В процессе нагружения производили ряд остановок пресса с целью записи выходного сигнала датчиков сжатия. Фиксирование выходного сигнала напряжения с датчиков осуществлялось потенциометром КИСС-03. В ходе эксперимента было проведено три серии испытаний с фиксированием 12 контрольных точек в каждом. Результаты испытаний приведены в таблице.
Для проведения сравнения результатов испытаний была разработана эмпирическая расчетная зависимость, отражающая закон упругой деформации упругого элемента 2. Точность работы заявляемого устройства и прототипа оценивали по степени приближения экспериментальных точек к расчетной прямой.
Результаты испытаний, приведенные в таблице, показали, что заявляемое устройство по сравнению с прототипом позволяет при измерении усилия сжатия:
- в 1,83 раза снизить суммарное абсолютное отклонение экспериментальных значений от расчетной прямой;
- на 1,79% снизить относительное отклонение точек от расчетной прямой.
Это подтверждает высокую точность измерений усилий сжатия заявляемым устройством.