СПОСОБ И АППАРАТ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ОСТАТОЧНЫХ КРУЧЕНИЙ
METHOD AND APPARATUS FOR MEASURING RESIDUAL TORSIONS

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к способу и аппарату для измерения остаточных кручений вытянутого элемента, такого как стальной трос.
Уровень техники
Остаточные кручения вытянутого элемента, такого как стальной трос, должны контролироваться и, следовательно, измеряться во время изготовления вытянутого элемента. При отсутствии адекватного контроля последующая обработка продолговатых элементов, например, соединение стальных тросов в резиновых пластинах может стать сложным или даже проблематичным процессом. Действительно, неконтролируемые остаточные кручения стальных тросов могут приводить к усилению подъема краев резиновых листов, армированных этими стальными тросами. Автоматическое манипулирование этими резиновыми листами может стать неудовлетворительным из-за подъема краев.
Известно несколько вариантов осуществления измерения остаточных кручений.
В патенте США US-A-4,642,979 раскрыт способ регулирования свивки проволочного каната посредством измерения остающегося или остаточного кручения в проволочном канате. После скручивания проволочного каната, его проводят вдоль U-образной дуги поверх колеса или ролика для регулирования натяжения. Этот ролик для регулирования натяжения установлен с возможностью вращения. Угол поворота ролика для регулирования натяжения измеряют для определения остаточного кручения проволочного каната.
Этот способ измерения остаточных кручений посредством измерения угла поворота ролика для регулирования натяжения, который может поворачиваться более или менее свободно, хотя этот способ широко используют на практике, обладает несколькими недостатками.
При предоставлении возможности ролику для регулирования натяжения свободно вращаться, специалист начинает оказывать влияние на параметр, который он хочет измерить, а именно, начинает уменьшать свободное вращение, а также количество остаточных кручений.
Кроме того, при измерениях наблюдается некоторое гистерезисное поведение.
Кроме того, практика показала, что сложно охватить весь диапазон остаточных кручений, несмотря на возможность обеспечения почти свободного вращения
Раскрытие изобретения
Целью изобретения является исключение или, по меньшей мере, ослабление недостатков прототипа.
Дополнительной целью изобретения является создание простых средств для измерения остаточных кручений.
Другой целью изобретения является создание измерительных средств, являющихся более точными.
Еще одной целью изобретения является создание способа измерения остаточных кручений по всему диапазону.
Еще одной целью изобретения является увеличение диапазона остаточных кручений, которые могут быть измерены.
Согласно первому аспекту изобретения, создан аппарат для измерения остаточных кручений продолговатой структуры, например, стального троса. Аппарат содержит поворотную головку. Поворотная головка содержит колесо, приспособленное к направлению продолговатой структуры. Это колесо установлено в поворотной головке таким образом, чтобы передавался крутящий момент, создаваемый продолговатой структурой, находящейся на колесе, поворотной головке.
Поворотная головка установлена в аппарате вдоль оси вращения. Ось вращения поворотной головки лежит в плоскости колеса и содержит центр колеса.
Аппарат дополнительно содержит датчик для измерения крутящего момента, действующего на поворотную головку, вызываемого продолговатой структурой.
Поворотное движение поворотной головки относительно оси вращения ограничено угловым диапазоном, составляющим ±5°, предпочтительно - ±3°, наиболее предпочтительно оно ограничено угловым диапазоном, составляющим ±2°.
Термин «продолговатый элемент» относится не только к стальному тросу, но также и к другим скрученным или нескрученным структурам, например, к металлической стренге, проволочному канату, крученой одиночной проволоке и т.п.
Посредством уменьшения амплитуды поворота поворотной головки до очень небольшого диапазона, негативное влияние самого поворота на измерение остаточного кручения также уменьшают до очень небольшой величины.
Посредством уменьшения диапазона амплитуды поворота также улучшают охват всего диапазона остаточных кручений и, как это пояснено ниже, даже расширяют диапазон остаточных кручений, который может быть измерен.
Один из предпочтительных вариантов осуществления - это возможность обеспечения угла поворота поворотной головки, равного 0°.
Амплитуда поворота поворотной головки может быть уменьшена посредством создания механической цепи от колеса к раме путем использования тугоподвижного элемента, например, тугоподвижной пружины кручения и/или тугоподвижного датчика нагрузки самого датчика. Согласно закону Гука, с помощью этих тугоподвижных элементов переводят большой крутящий момент в небольшое перемещение.
Дополнительным преимуществом использования очень тугоподвижных элементов является то, что - помимо более точного измерения - диапазон крутящих моментов, которые могут быть измерены, и, таким образом, диапазон остаточных кручений, который может быть измерен, может быть также увеличен.
Датчик предпочтительно рассчитан на диапазон крутящих моментов, составляющих ±50 Н⋅мм, с точностью 0,5% по всему диапазону крутящих моментов. Наиболее предпочтительно, чтобы датчик был рассчитан на диапазон крутящих моментов, составляющих ±10 Н⋅мм, с точностью 0,5% по всему диапазону крутящих моментов.
При использовании датчиков этого типа достигается высокая точность измерений в диапазоне крутящих моментов, который охватывает весь диапазон остаточных кручений, встречающийся на практике.
С помощью датчика предпочтительно измеряют крутящий момент непосредственно путем измерения крутящего момента или силы.
В одном варианте осуществления изобретения датчик может содержать тензодатчик или тензодатчики в качестве датчика нагрузки.
В другом варианте осуществления изобретения датчик может содержать пружину кручения, например, двойную пружину кручения, в качестве датчика нагрузки.
С помощью датчика можно также измерять крутящий момент опосредованно путем измерения расстояния, положения или угла.
Наиболее предпочтительно датчик предварительно калибруют для того, чтобы он непосредственно показывал результаты измерений в количестве остаточных кручений на единицу длины.
Посредством калибрования датчика до создания каждого троса и до установки датчика на производстве, процесс калибрования на месте может быть исключен или, по меньшей мере, сокращен до минимума.
Согласно второму аспекту изобретения создан способ измерения остаточных кручений в продолговатом элементе, например, в стальном тросе. Способ включает в себя следующие этапы:
- установку колеса в поворотной головке таким образом, чтобы любые крутящие моменты, действующие на колесо, передавались упомянутой поворотной головке;
- установку поворотной головки вдоль оси поворота на раме, где ось поворота лежит в плоскости колеса и содержит центр колеса;
- направление вытянутого элемента поверх колеса;
- измерение крутящего момента, создаваемого продолговатым элементом и действующего на колесо и поворотную головку, таким образом ограничивая поворотное движение поворотной головки до ±5°, предпочтительно - до ±3°.
Этап d) осуществляют предпочтительно посредством использования датчика с диапазоном измеряемых крутящих моментов, составляющих ±50 Н⋅мм, и с точностью измерения 0,5% по всему диапазону крутящих моментов, наиболее предпочтительно - посредством использования датчика с диапазоном измеряемых крутящих моментов, составляющих ±10 Н⋅мм, и с точностью измерения 0,5% по всему диапазону.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1a и фиг. 1b показан первый вариант аппарата для измерения остаточных кручений согласно изобретению.
На фиг. 2 показан второй вариант аппарата для измерения остаточных кручений согласно изобретению.
На фиг. 3 показан третий вариант аппарата для измерения остаточных кручений согласно изобретению.
Осуществление изобретения
На фиг. 1a, 1b и фиг. 2 проиллюстрированы способы непосредственного измерения крутящего момента.
На фиг. 1a изображен разрез по плоскости A-A на фиг. 1b первого варианта аппарата 100 для измерения остаточных кручений. На фиг. 1b изображен разрез по плоскости B-B на фиг. 1a этого аппарата 100.
Аппарат 100 содержит поворотную головку 102. Колесо или шкив 104 установлено на этой поворотной головке 102 на оси 106 в подшипнике 108. Колесо 104 может свободно вращаться относительно оси 106. Ось 106 закреплена на поворотной головке 102. Поворотная головка 102 вместе с колесом 104 установлена с возможностью поворота относительно оси поворота 110. К тому же поворотная головка 102 установлена с использованием подвесных пружин 112 на раме 114. Подвесные пружины 112 предпочтительно являются скорее упругими пружинами с относительно низким модулем упругости пружины для обеспечения возможности как можно более свободного поворота поворотной головки 102. Подвесные пружины 112 могут быть изготовлены из тонкой стальной проволоки. Механическая цепь от поворотной головки 102 к раме 114 также содержит тугоподвижные элементы в виде тензодатчиков 116. Эти тугоподвижные элементы воспринимают большую часть крутящего момента и ограничивают поворот поворотной головки 102 до ±3°, предпочтительно до ±2°. Тензодатчики 116 предпочтительно выбирают таким образом, чтобы они обладали высокой точностью и высоким коэффициентом чувствительности.
Альтернативно, можно использовать тугоподвижные подвесные пружины 112 с высоким коэффициентом жесткости и устанавливать их последовательно с тензодатчиками 116. Эти тугоподвижные подвесные пружины 112 могут быть сформированы из достаточно толстой проволоки. В противоположность устройству, изображенному на фиг. 1a, механическая связь выполнена между одной из подвесных пружин и тензодатчиками 116. Этот вариант обладает преимуществом, заключающимся в том, что весь диапазон крутящих моментов воспринимается не только тензодатчиками.
Еще одним альтернативным решением является использование той же самой установки, которая представлена на фиг. 1a, с параллельным расположением подвесных пружин 112 и тензодатчиков 116. Альтернатива заключается в использовании тугоподвижных подвесных пружин 112 вместо упругих подвесных пружин. Отношение крутящего момента, воспринимаемого подвесными пружинами 112, и крутящего момента, воспринимаемого тензодатчиками 116, калибруют.
На фиг. 2 показан еще один аппарат 200 для измерения остаточных кручений в продолговатом элементе 202.
Стальной трос 202 обведен вокруг колеса 104 вдоль дуги U-образной формы, где колесо 104 соединено с поворотной головкой 102. Поворотная головка 102 установлена вдоль оси поворота 110 с возможностью поворота.
Поворотная головка 102 присоединена посредством тугоподвижной подвесной пружины 204 к неподвижному датчику крутящего момента 206. Неподвижный датчик крутящего момента 206 может быть датчиком промышленно выпускаемого типа. Такой датчик крутящего момента может содержать внутри его тензодатчики, механически соединенные с торсионным стержнем. Любой крутящий момент, воспринимаемый подвесной пружиной 204, деформирует торсионный стержень и, при этом, также упруго и реверсивно деформирует тензодатчики, прикрепленные к торсионному стержню. Изменения электрического сопротивления тензодатчиков пропорциональны деформации тензодатчиков.
Датчик крутящего момента предпочтительно может содержать четыре тензодатчика. Множество из четырех тензодатчиков может быть также использовано. Эти тензодатчики располагают в виде измерительного мостика Уитстона и создают постоянное напряжение или переменное напряжение, или подают переменный ток к датчику через соединение 208. Выходное напряжение от тензодатчиков пропорционально измеряемому крутящему моменту. Использование переменного тока обеспечивает возможность исключения теплового отклонения и эффектов термопары в системе. Неподвижный датчик крутящего момента 206 может быть размещен в раме 210.
На фиг. 3 проиллюстрирован способ опосредованного измерения крутящего момента на поворотной головке 102.
Поворотная головка 102 с колесом 104 подвешена с возможностью поворота с использованием подвесной пружины 302 к раме 304. Механическая цепь между поворотной головкой 102 и рамой 304 содержит двойную пружину кручения 306’, 306”. В случае, если постоянная кручения двойной пружины кручения 306’, 306” высокая, то постоянная кручения подвесной пружины 302 может быть несколько меньше. В случае, если постоянная кручения двойной пружины кручения 306’, 306” низкая, то постоянная кручения подвесной пружины 306, 306” является более высокой. Вся механическая цепь должна быть достаточно тугоподвижной для ограничения поворота поворотной головки 102 в диапазоне, составляющем ±3°.
Подвесная пружина 302 предпочтительно является упругой, а двойная пружина кручения 306’, 306” - тугоподвижной, чтобы, таким образом, основная часть крутящего момента воспринималась двойной пружиной кручения 306’, 306”.
Левый рычаг 308’ и правый рычаг 308” соединены с поворотной головкой 302. В случае, если поворотная головка 302 поворачивается в направлении стрелки 310’, то левый рычаг 308’ перемещает немного хвостовой конец левой части 306’ двойной пружины кручения.
В случае, если поворотная головка 302 поворачивается в направлении стрелки 310”, то правый рычаг 308” перемещает немного хвостовой конец правой части 306” двойной пружины кручения.
Угол перемещения хвостовых концов двойной пружины кручения 306', 306” или величина перемещения рычагов 308’, 308” пропорциональны крутящему моменту, действующему на колесо 104 и величине остаточных кручений, присутствующих в продолговатом элементе.
Перечень номеров позиций
100 - Первый вариант измерительного аппарата
102 - Поворотная головка
104 – Колесо или шкив
106 - Ось
108 - Подшипник
110 – Ось поворота
112 - Подвесная пружина
114 - Рама
116 - Тензодатчик
200 - Второй вариант измерительного аппарата
202 - Продолговатый элемент
204 - Подвесная пружина
206 - Датчик крутящего момента
208 - Соединительный кабель
210 - Рама
300 - Третий вариант измерительного аппарата
302 - Подвесная пружина
304 - Рама
306’ - Левая часть двойной пружины кручения
306” - Правая часть двойной пружины кручения
308’ - Левая часть рычага
308” - Правая часть рычага
310’ - Направление поворота, при котором оказывается воздействие на левую часть двойной пружины кручения,
310” - Направление поворота, при котором оказывается воздействие на правую часть двойной пружины кручения.