УДАРОПРОЧНОЕ ВЕСОИЗМЕРИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО

Изобретение относится к весоизмерительной технике, в частности к конструкциям весов с грузоприемной платформой, и может быть использовано преимущественно в тяжелой промышленности, для которой характерны перегрузки ударного типа.
Известно ударопрочное весоизмерительное устройство по полезной модели №26649 от 26.02.2002 г, МПК G01G 21/12, содержащее грузоприемную платформу в виде верхней и нижней рам с демпфирующими узлами между ними. Платформа опирается на стойки основания через узлы встройки с тензодатчиками, которые соединены кабелями с весовым терминалом. На стойках основания закреплены кронштейны с резьбами, в которых установлены с возможностью поворота до контакта с пятками верхней рамы упорные болты с контргайками. Демпфирующие узлы выполнены в виде пружин, закрепленных шпильками на бобышках на верхней и нижней рамах.
Недостатками данного устройства являются недостаточная ударопрочность конструкции, длительное время измерения.
Известно устройство ударостойких весов по патенту на полезную модель №67710 от 13.06.2007 г (МПК G01G 21/12)., содержащее грузоприемную платформу, опирающуюся через защитные блоки на тензодатчики, установленные на основание и коммутированные с весовым терминалом. Каждый защитный блок выполнен в виде двух обращенных друг к другу полостей, внутри которых расположен демпфирующий элемент, причем одна полость закреплена на грузоприемной платформе, а другая связана с силоприемным устройством тензодатчика. В качестве демпфирующего элемента может быть применен набор из чередующихся металлических и резиновых пластин, а также использована витая или тарельчатая пружина, или резиновый или пластиковый вкладыш; или нарезка резиновых или пластиковых трубок. Демпфирующим элементом могут являться наполненные газом или жидкостью герметичные резиновые или пластиковые объемы.
Недостатком данного устройства является то, что конструктивное исполнение демпфирующего узла в виде двух стаканов с общей пружиной предусматривает взаимодействие стенок полостей с демпфирующим элементом, что приведет к снижению ресурса демпфирующего узла и весов в целом. Наличие соединительной оси демпфирующего узла ограничивает гашение боковых нагрузок, определяя гашение только вертикальной составляющей, определяемой величиной хода пружины, т.е. данная конструкция весов недостаточно надежно защищена от действия горизонтальных ударных нагрузок. Предложенная конструкция отличается длительным временем измерения весовых нагрузок, обусловленным тем, что для рассеивания избыточной энергии, возникающей в результате удара, приходится использовать упругие элементы с низкой жесткостью. Энергия частично рассеивается упорами, а частично пружинами за счет внутреннего трения.
Наиболее близким техническим решение является полезная модель №51206 от 23.08.2005 г. (МПК G01G 21/10). Данное весоизмерительное устройство содержит грузоприемную платформу в виде верхней и нижней рам с демпфирующими узлами между ними, основание, установленные на основании и связанные с нижней плитой узлы тензодатчиков, выходы которых соединены с весовым терминалом, а также предохранительные упоры. Данное устройство снабжено дополнительно односторонними амортизаторами, имеющими шарнирное соединение с верхней и нижней рамами.
Недостатком данного устройства является наличие односторонних амортизаторов - устройств недостаточно надежных, дорогих и громоздких. Амортизаторы нужно защищать от горизонтальных ударов. С изменением НПВ надо подбирать новый тип амортизатора, т.к. большая жесткость амортизаторов рассчитана на определенный предел взвешивания. Параллельное соединение амортизатора с демпфирующими узлами делает конструкцию весового устройства громоздкой, а при разрушении амортизатора разрушится и остальная конструкция весоизмерительного устройства.
В основу изобретения положена задача создания ударопрочного весоизмерительного устройства, позволяющего повысить надежность в работе и снизить время измерения нагрузки за счет дифференцированной работы демпфирующих узлов.
Поставленная цель достигается тем, что ударопрочное весоизмерительное устройство содержит грузоприемную платформу в виде верхней и нижней рам с демпфирующими узлами между ними, основание, установленные на основании узлы встройки тензодатчиков, соединенные с весовым терминалом, а также предохранительные упоры. Дополнительный демпфирующий узел размещен последовательно с основным демпфирующим узлом тензодатчика с дифференцированно-последовательной работой между ними. Собственную частоту дополнительного демпфирующего узла устанавливают в пределах от 2,5 до 4 раз больше собственной частоты основного демпфирующего узла
В предлагаемом конструктивном решении весоизмерительного устройства избыточная энергия при ударе, не абсорбируемая основным демпфирующим узлом, поглощается не предохранительным упором, а дополнительным демпфирующим узлом, соединенным последовательно с основным демпфирующим узлом. Дополнительный демпфирующий узел имеет гораздо меньшую, по сравнению с предохранительным упором, жесткость и, соответственно, больший ход. В момент прикосновения груза при ударе сжимаются основной и дополнительный демпфирующие узлы, включенные последовательно, т.е. оба узла накапливают энергию. При срабатывании предохранительного упора, основную часть энергии продолжает накапливать дополнительный демпфирующий узел, имеющий меньшую жесткость и соответственно больший ход. В предлагаемых весах ни предохранительный упор, ни основной демпфирующий узел не играют существенной роли в поглощении энергии удара и предназначены для противодействия статическому перегрузу. Дополнительный демпфирующий узел, соединенный последовательно с основным, дополняет функцию демпфирования, при этом рассеивание энергии удара в нем происходит за счет явления упругого гистерезиса. Демпфирование колебаний происходит за счет системного взаимодействия обоих демпфирующих узлов, т.е. основного и дополнительного. Жесткость дополнительного демпфированного узла выбирается таким образом, что его собственная частота оказывается в пределах от 2,5 до 4 раз более высокой, чем основного демпфирующего узла. Подобрано такое соотношение собственных частот, при котором обеспечивается наиболее эффективный обмен энергией между основным и дополнительным демпфирующими узлами.
С точки зрения, минимизации времени затухания колебаний при воздействии ударной нагрузки целесообразно повышение собственной частоты основного демпфирующего узла, но это повлечет за собой снижение способности накопления им энергии и, соответственно, способности выдерживать удар. Для этого в известных конструкциях и выполнены массивные упоры, зазор в которых устанавливается согласно наибольшему пределу взвешивания (НПВ), т.е. рассчитанной нагрузки для взвешивания. В предлагаемом ударопрочном весоизмерительном устройстве предохранительные упоры предназначены исключительно для ограничения статической нагрузки на тензодатчики, от них требуется гораздо меньшая механическая прочность. Зазор в упорах и, следовательно, рабочий ход основного демпфирующего узла может быть выбран только исходя из соображений удобства регулировки на различные весовые нагрузки. При этом собственная частота основного демпфирующего узла оказывается существенно более высокой, а общая высота конструкции весоизмерительного устройства и его восприимчивость к ударам - меньшими, чем у прототипа. Все это повышает надежность работы ударопрочного весоизмерительного устройства, сокращая время измерения нагрузки. Последовательное соединение основного и дополнительного демпфирующих узлов и их дифференцированно - последовательная работа при воздействии ударной нагрузки позволяет снизить амплитуду усилий на конструкцию весов в целом и свести к минимуму время воздействия переменной нагрузки на тензодатчики при вертикальных ударах.
Устройство выполнено следующим образом.
На фиг.1 представлена функциональная схема ударопрочного весоизмерительного устройства.
На фиг.2 показаны результаты моделирования колебательного процесса при воздействии ударной нагрузки для первого полупериода колебаний, т.е. зависимости амплитуды колебаний от времени для основного 5 и дополнительного 6 демпфирующих узлов.
На фиг.3 показаны варианты последовательного соединения демпфирующих узлов с тензодатчиками при воздействии нагрузки.
Устройство содержит грузоприемную платформу, состоящую из верхней 1, средней 2 и нижней 3 рам, которые крепятся на основании 4. Между верхней 1 и средней 2 рамами расположен дополнительный демпфирующий узел 5.
Последовательно дополнительному демпфирующему узлу 5 располагаются основной демпфирующий узел 6, выполненный в виде спиральных пружин или блоков из тарельчатых пружин и регулируемые предохранительные упоры 7. Упоры 7 имеют возможность контакта с нижней рамой 3. Тензодатчики 8 и основной демпфирующий узел 6 установлены параллельно упорам 7 и соединены со средней 2 и нижней 3 рамами. Элементы 2, 3, 7, 8 образуют узел встройки для каждого тензодатчика отдельно. Выходы тензодатчиков 8 соединены с весовым терминалом (не показано). Между основанием 4 и нижней рамой 3 установлены тяги 9 для защиты от горизонтальных ударов.
Весоизмерительное устройство работает следующим образом:
При установке груза на грузоприемную платформу через дополнительный 5 и основной демпфирующий узел 6 нагрузка передается на нижнюю раму 3, с которой посредством тензодатчиков 8 воспринимается и воспроизводится с помощью весового терминала, где получают информацию о весе груза. В данных весах ни предохранительный упор 7, ни основной демпфирующий узел 6 не играют существенной роли в поглощении энергии удара и предназначены для противодействия статическому перегрузу. Поэтому жесткость основного демпфирующего узла 6 выбрана достаточно большой, в зависимости от воспринимаемой нагрузки (НПВ).
Данная конструкция основного демпфирующего узла универсальна для интервала значений НПВ от (0,3 до 50)Т. Ход дополнительного демпфирующего узла 5, выполненного в виде пружинного блока или с применением специальных материалов, ничем не ограничен. Это сделано для того, чтобы при воздействии запредельного удара этот узел разрушился, а остальная конструкция и тензометрические датчики сохранились.
При возникновении удара в момент загрузки демпфирующие узлы 5 и 6, соединенные последовательно, сжимаются. При этом воздействие на предохранительные упоры 7 ограничено величиной силы упругости дополнительных демпфирующих узлов 5. Платформа весов колеблется на частоте, определяемой суммарным ходом обоих демпфирующих узлов 5 и 6, т.е. более низкой, чем частота основного демпфирующего узла 6. Демпфирующие узлы 5 и 6 каждый колеблются синфазно по отношению к суммарной частоте этих узлов и противофазно по отношению друг к другу, в результате чего между ними происходит постоянный обмен энергией. Дополнительный демпфирующий узел 5, имеющий более высокую собственную частоту, свободно, без подавления пропускает колебания на частоте весов. Основной демпфирующий узел 6, расположенный ниже, обеспечивает подавление колебаний на частоте дополнительного демпфирующего узла 5, не пропуская их на тензометрические датчики. Результаты моделирования данного процесса для первого полупериода колебаний показаны на фиг.2.
Дополнительный демпфирующий узел 5, колеблясь на суммарной частоте основного и дополнительного демпфирующего узла и на собственной частоте, испытывает большее число циклов нагружения - разгружения, чем основной демпфирующий узел 6. Благодаря эффекту упругого гистерезиса, дополнительный демпфирующий узел 5 быстро рассеивает энергию, в том числе перетекшую из основного демпфирующего узла 6. В переходном процессе от нагружения к разгружению основной демпфирующий узел 6, являясь естественным фильтром для собственных колебаний дополнительного демпфирующего узла 5, снижает их воздействие на тензометрические датчики.
Последовательное соединение двух демпфированных узлов и увеличение частоты колебаний при демпфировании за счет дифференцированной работы между ними обеспечивает быстрое затухание колебаний и уменьшение времени измерения массы при воздействии ударной нагрузки при взвешивании.
Данное техническое решение носит универсальный характер, т.к. может быть применено к весам с любым НПВ. Требуемая жесткость основного демпфирующего узла 6 обеспечивается подбором пружин и варьированием их числа. Требуемая частота дополнительного демпфирующего узла 5 также легко подбирается количеством пружин в пружинном блоке или изменением высоты и площади упругого материала. При необходимости размещения весов вблизи сильно вибрирующего оборудования дополнительный демпфирующий узел 5 может быть размещен снизу по отношению к тензометрическим датчикам 8 для фильтрования вибрации основания (фиг.3).
Обеспечивающие ударопрочность элементы и тензодатчики могут быть расположены согласно двум вариантам как показано на фиг.3, т.е по 1-му варианту: последовательно включены дополнительный демпфирующий узел 5 - основной демпфирующий узел 6 - тензодатчик 8 - основание 4. Параллельно основному демпфирующему узлу 6 и тензодатчику 8 установлен предохранительный упор 7. По 2-му варианту: последовательно включены при воздействии нагрузки: основной демпфирующий узел 6 - тензодатчик 8 - дополнительный демпфирующий узел 5 - основание 4. Параллельно основному демпфирующему узлу и тензодатчику также установлен предохранительный упор 7.
Для защиты от горизонтальных перемещений применены тяги 9 фиг.1, шарнирно соединенные с основанием 4 и нижней рамой 3. Шарнирное соединение обеспечивает минимальность создаваемого тягами вертикального усилия. В весоизмерительных устройствах с большим значением наибольшего предела взвешивания (НПВ) вместо тяг используются горизонтальные упоры.
Устройство предназначено для измерения веса грузов массой до 50 т. Время гашения колебаний платформы составляет, в среднем, 1,5 сек. Предлагаемое весоизмерительное устройство найдет применение в различных отраслях промышленности, преимущественно в металлургическом производстве.
В настоящее время изготовлен и испытан экспериментальный образец противоударных весов. Основной демпфирующий узел 6 может быть выполнен в виде спиральных пружин или блоков из тарельчатых пружин. Дополнительный демпфирующий узел 5 выполнен из эластичного слоистого материала, состоящего из слоев плотно скрученного компаунда и содержащего литые и рассыпчатые тормозящие вещества. Использованы тензометрические датчики балочного типа 3. Упор 7 выполнен в виде стального цилиндрического стержня. Наличие двух упругих узлов с дифференцированно - последовательной работой между собой позволяет создать конструктивное решение весов с минимальным временем измерения нагрузки, при этом снижается время воздействия переменной нагрузки на тензодатчики, а также снижается амплитуда усилий воздействующих на конструктивные элементы весов, груз и фундамент при вертикальных ударах. Все это повышает удароустойчивость конструкции весов при эксплуатации и их надежность в целом.