Тензометрический динамометр

Предложение относится к области аэромеханических измерений и может быть использовано в устройстве специализированных тензометрических динамометров (ТД) - т.н. тензометрических весов, применяемых для определения составляющих (компонент) векторов аэрогазодинамической силы и момента, действующих на модели испытываемых объектов (в том числе - модели летательных аппаратов) в потоке аэрогазодинамических установок.
Известны ТД (см. В.В. Богданов, B.C. Волобуев, И.Н. Панченко «Становление и развитие тематики многокомпонентных тензометрических весов», Материалы конференции по измерительной технике и метрологии для экспериментальных исследований летательных аппаратов, Жуковский, ЦАГИ, 2014, с. 23, 24, рис 4-6), содержащие жесткие силовводящий и силовыводящий элементы для крепления испытываемой модели и установки ТД на опоре в рабочей части аэродинамической установки, и размещенные между ними тензометрические элементы компонентов аэродинамической силы и момента: пятикомпонентный измерительный элемент поперечных сил (нормальной Y и боковой Z), изгибающих (рыскания My и тангажа Mz) и крутящего (крена Мх) моментов, состоящий из продольных балок с установленными на них тензопреобразователями, и измерительный элемент продольной силы X в виде упругих параллелограммов, состоящих каждый из жестких балок, соединенных между собой посредством поперечно расположенных упругих балок и встроенных в упругие параллелограммы чувствительных элементов с установленными на них тензопреобразователями.
Известен ТД (предназначенный для определения пространственно ориентированных опорных реакций: компонентов силы X, Y, Z и компонентов момента Mx, My, Mz), выбранный в качестве прототипа и содержащий жесткие силовводящий и силовыводящий элементы для взаимодействия с испытываемым объектом и жесткой опорой, в которых выполнены гнезда для размещения соединяющих их тензометрических элементов с упругой измерительной системой в виде связанных между собой посредством концевых и промежуточных оснований упругих параллелограммов с парами поперечных и продольных упругих балок, ориентированных в соответствии с заданной системой координат, и тензопреобразователи, соответственно установленные на чувствительных элементах параллелограммов и соединенные в мостовые измерительные схемы (см. авторское свидетельство СССР №1821139 от 05.06.1991, МПК G01N 1/18, G01L 5/16).
Несмотря на различие в испытываемых объектах, указанное известное техническое решение по технической сущности и реализации (измерение компонентов пространственно действующих силы и момента относительно заданной точки с использованием нескольких тензометрических элементов) является наиболее близким к предложенному.
Недостатком известного технического решения являются обусловленные конструктивными особенностями ограниченность функциональных возможностей и недостаточная точность
Задачами, на решение которых направлено данное предложение, являются расширение функциональных возможностей и повышение точности измерений ТД рассматриваемого типа.
Технический результат, достигаемый данным предложением, заключается в обеспечении возможности размещения испытываемых в потоке аэрогазодинамической установки моделей различного размера как снаружи ТД (в этом случае ТД находится внутри модели, например, летательного аппарата), так и во внутреннем канале ТД (в этом случае ТД находится вне модели, например, снаружи исследуемой модели обечайки, размещенной в проточном канале какого-либо другого объекта). Кроме того, обеспечивается возможность применения ТД с различным количеством измерительных элементов.
Этот результат достигается тем, что в тензометрическом динамометре, содержащем жесткие силовводящий и силовыводящий элементы для взаимодействия с испытываемым объектом и жесткой опорой, в которых выполнены гнезда для размещения соединяющих их тензометрических элементов с упругой измерительной системой в виде связанных между собой посредством концевых и промежуточных оснований упругих параллелограммов с парами поперечных и продольных упругих балок, ориентированных в соответствии с заданной системой координат, и тензопреобразователи, соответственно установленные на чувствительных элементах параллелограммов и соединенные в мостовые измерительные схемы, силовводящий и силовыводящий элементы выполнены сменными в виде колец соответствующего (типу и размерам испытываемой модели, величинам ожидаемых нагрузок) диаметра, ширины и толщины, а тензометрические элементы в количестве двух или более установлены с возможностью регулировки положения по продольной оси в их гнездах, расположенных с равным шагом на кольцах, при этом на боковых гранях упругих балок продольно ориентированных упругих параллелограммов размещены дополнительные тензопреобразователи, соединенные в дополнительные мостовые измерительные схемы.
Сущность предложения заключается в создании кольцевой структуры динамометра с требуемыми внешними и внутренними габаритами с расширенным диапазоном применения (за счет сменяемости силовводящего и силовыводящего элементов и возможности использования различного числа тензометрических элементов) при организации из нескольких элементов единой шестикомпонентной динамометрической системы. При этом возможность крепления тензометрических элементов в требуемых положениях по продольной оси ТД обеспечивает возможность совмещения моментных точек Мт (точек, при приложении поперечной силы в которых датчики момента тангажа дают нулевое показание) всех тензометрических элементов в одной плоскости.
На фиг. 1 показан вид сверху варианта ТД с двумя тензометрическими элементами; на фиг. 2 - разрез ТД по Б-Б на фиг. 1; на фиг. 3 и 4 - виды тензометрического элемента сбоку; на фиг. 5 и 6 - вид тензометрического элемента сверху и его сечение Г-Г на фиг. 4; на фиг. 7-11 - электрические схемы соединения тензопреобразователей.
Предложенный ТД содержит сменные кольцевые элементы - силовводящий 1 (для крепления испытываемого объекта, например, модели летательного аппарата) и силовыводящий 2 (для крепления ТД на какой-либо жесткой опоре, например, в подвеске рабочей части аэрогазодинамической установки). Эти элементы выполнены с гнездами 3, размещенными на них с равным шагом (180°, 120° или 90°) и соединены между собой посредством двух, трех или четырех тензометрических элементов 4, закрепляемых в гнездах 3. Установка тензометрических элементов 4 в гнездах кольцевых элементов 1 и 2 осуществляется с применением наборов сменных прокладок 5.
Каждый из тензометрических элементов 4 выполнен в виде трубчатого корпуса, в стенках которого сформированы концевые 6, 7 и промежуточные 8, 9 жесткие элементы, а также две пары взаимно перпендикулярных упругих продольных балок 10 и 11 и четыре пары поперечных упругих балок 12, с помощью которых образованы два продольно ориентированных взаимно перпендикулярных упругих параллелограмма (обеспечивающих измерение поперечных сил Y и Z) в виде пар балок 10 и 11, одним концом закрепленных, соответственно, на концевых элементах 6 и 7 и присоединенных другим концом, соответственно, к промежуточным элементам 8 и 9, которые вместе с четырьмя парами поперечных упругих балок 12 образуют компактную кольцевую систему четырех поперечно ориентированных упругих параллелограммов (обеспечивающую измерение продольной силы X), размещенную в пространстве между балками продольных упругих параллелограммов.
Необходимая упругость балок продольных и поперечных упругих параллелограммов и образование «чувствительных элементов» могут быть обеспечены за счет поперечных подрезов 13 (как у прототипа), напротив которых размещены тензопреобразователи Ri, включенные в мостовые измерительные схемы в соответствии с фиг. 7-11. Отметим, что «чувствительные элементы» могут быть выполнены и в виде встраиваемых в упругие параллелограммы дополнительных упругих элементов (например, как у рассмотренного выше аналога).
На боковых гранях пар упругих балок 8 и 9 продольно ориентированных упругих параллелограммов размещены дополнительные тензопреобразователи Ri, соединенные в дополнительные мостовые измерительные схемы фиг. 10 и 11, обеспечивающие дополнительную регистрацию изгибающих моментов My и Mz.
Все мостовые измерительные схемы подключены к соответствующей аппаратуре, обеспечивающей их питание и регистрацию выходных сигналов.
Работа ТД осуществляется следующим образом.
Внешняя пространственная нагрузка, являющаяся результатом воздействия рабочего потока аэрогазодинамической установки на испытываемый объект, прикладывается к кольцевому силовводящему элементу 1 и создает компоненты продольного X, поперечного Y и Z, изгибающего My и Mz и крутящего Mx нагружений, которые распределяются по соединенным с ним тензометрическим элементам, обозначенным буквами А и В, при этом действие продольной силы X в каждом тензометрическом элементе вызывает относительное продольное смещение пар балок 10 и 11, соответствующее смещение промежуточных элементов 8 и 9, изгиб четырех пар упругих балок 12 (преимущественно в местах подрезов 13) и сжатие-растяжение тензопреобразователей R1 - R8. При этом на выходе мостовой измерительной схемы (фиг. 7) появляется сигнал, пропорциональный величине продольной силы X, действующей на данный тензометрический элемент.
Действие нормальной силы Y вызывает плоскопараллельное смещение элементов 1 и 2 и соответствующее плоскопараллельное смещение концевых элементов 6 и 7. При этом происходит соответствующий изгиб пары балок 10 (преимущественно в местах подрезов 13), соответствующее сжатие-растяжение тензопреобразователей R9 - R12 и появление сигнала на выходе мостовой измерительной схемы (фиг. 8), пропорционального величине нормальной силы Y, действующей на данный тензометрический элемент.
Аналогично, действие боковой силы Z вызывает плоскопараллельное смещение элементов 1 и 2 и соответствующее плоскопараллельное смещение концевых элементов 6 и 7. При этом происходит соответствующий изгиб пары балок 11 (преимущественно в местах подрезов 13), соответствующее сжатие-растяжение тензопреобразователей R13 - R16 и появление сигнала на выходе мостовой измерительной схемы (фиг. 9), пропорционального величине боковой силы Z, действующей на данный тензометрический элемент.
Действие изгибающего момента My (или Mz) на тензометрический элемент вызывает изгиб пары балок 11 в плоскости действия силы Z (или 10 в плоскости действия силы Y), соответствующее сжатие-растяжение тензопреобразователей R17 - R20 (или R21 - R24), размещенных на боковых гранях пары этих балок, и появление сигнала на выходе мостовой измерительной схемы (фиг. 10 или фиг. 11), пропорционального величине момента My (или Mz), действующего на данный тензометрический элемент.
Измеренные каждым тензометрическим элементом компоненты нагрузки позволяют определить суммарные нагрузки, действующие на весь тензометрический динамометр. Для рассмотренного случая применения двух тензометрических элементов (и принятой на фиг. 1 и 2 системы координат) суммарные нагрузки по шести компонентам силы X, Y, Z и компонентам момента Мх, My, Mz можно определить следующим образом
ц.д
ц.д
z
при этом координату точки приложения результирующей силы x. (т.н. центра давления) по отношению к положению моментной точки Мт тензометрического динамометра можно определить как x. = M/Y.
Сменность силовводящего и силовыводящего кольцевых элементов с варьируемыми внешним и внутренним диаметрами, шириной и толщиной обеспечивает решение различных задач при размещении испытываемых в потоке аэрогазодинамической установки моделей различного размера как снаружи ТД (в этом случае ТД находится внутри модели, например, летательного аппарата), так и во внутреннем канале ТД (в этом случае ТД находится вне модели например, снаружи исследуемой модели обечайки, размещенной в проточном канале какого-либо другого объекта), который защищен от воздействия потока и соединен с моделью несколькими консолями. Возможность применения различного числа тензометрических элементов позволяет варьировать измерительный диапазон ТД. Возможность крепления тензометрических элементов в требуемых положениях по продольной оси ТД и совмещения их моментных точек в одной плоскости обеспечивает повышение точности определения положения центра давления.