Устройство для получения чистого изгиба эталонной балки
APPARATUS FOR OBTAINING PURE BENDING OF REFERENCE BEAM

Область техники: метрология, средства испытаний тензодатчиков, эталоны относительной деформации.
Известны способы получения эталонных значений относительной деформации на поверхности упругих материалов при помощи стендов, позволяющих достижение так называемого «чистого изгиба» балки постоянного по длине прямоугольного сечения.
Известен «Способ получения чистого изгиба балки постоянного сечения и устройство для его осуществления» по патенту №2526787, приоритет от 14 декабря 2012 г. (Автор - Митрофанов В.В.)
Сущность известного устройства, заключается в том, что в устройстве для получения чистого изгиба эталонной балки, содержащем станину, установленную в ней эталонную балку с системой измерения деформаций, систему нагружения балки с опорными роликами и движителем, в котором станина выполнена в виде стойки с закрепленной на ней горизонтальной распорной балкой, по концам которой установлены цилиндрические шарниры, служащие осями подвеса двух вертикально расположенных симметричных рычагов, нижние концы рычагов шарнирно соединены посредством противоположно направленных соосных тяг с общим для них дифференциальным «плавающим» движителем, а в верхней части каждого рычага попарно сверху и снизу от эталонной балки установлены четыре опорных ролика, причем между роликами и эталонной балкой, также сверху и снизу, размещены «подушки» в виде плоских пластин с полуцилиндрическими выступами на противоположных краях, контактирующих с эталонной балкой непосредственно по образующим цилиндрических поверхностей этих выступов, а точки контакта опорных роликов с плоскими сторонами пластин-«подушек» попарно находятся на соответствующих нормалях к плоской поверхности пластин-«подушек».
В процессе дальнейшего анализа такого рода устройств выяснилось, что описанное устройство, принятое за прототип, потенциально при определенных усовершенствованиях, способно создавать у эталонной балки весьма значительную степень изгиба (величины кривизны, также как и центрального угла дуги в режиме чистого изгиба). При этом оказалось, что наличие описанных и столь важных в таком устройстве пластин-«подушек» с цилиндрическими выступами, контактирующими с деформируемой балкой, являются главным преимуществом по сравнению с известными конструкциями-аналогами эталонных устройств. Однако наличие распорной балки с шарнирами по концам существенно ограничивает возможность получения необходимой (максимальной) степени кривизны балки по причине ограничения величины перемещения «подушек» относительно опорных роликов. Наличие тяжелой распорной балки утяжеляет конструкцию и требует создания усиленной кинематики для соединения с движителем, что также увеличивает габариты и массу устройства.
Задачей предлагаемого изобретения является создание настольного компактного устройства.
Технический результат, достигаемый в предлагаемом изобретении, заключается в расширении диапазона кривизны эталонной балки, существенном уменьшении габаритов устройства при значительном снижении массы конструкции, снижении прилагаемых усилий для получения необходимой деформации при сохранении высокой степени точности измерения деформаций.
Сущность заявляемого изобретения заключается в том, что устройство для получения чистого изгиба эталонной балки, содержащее основание, эталонную балку постоянного сечения с системой измерения деформаций и механическую систему нагружения балки, включающую два симметрично расположенных рычага, шарнирно связанных с движителем, при этом в каждом рычаге попарно сверху и снизу от эталонной балки установлены четыре опорных ролика, между роликами и эталонной балкой также сверху и снизу от нее размещены пластины-«подушки» с выступами полуцилиндрической формы на противоположных краях, контактирующие с эталонной балкой непосредственно по образующим цилиндрических поверхностей этих выступов, а нормаль в точках контакта роликов с плоской поверхностью пластин-«подушек» проходит через точку контакта эталонной балки с цилиндрическим выступом пластины-«подушки», согласно изобретению рычаги установлены горизонтально и шарнирно связаны с основанием посредством двух симметрично расположенных шатунов, а также шарнирно соединены между собой и с движителем посредством коромысла, своим центром симметрии шарнирно связанным с ползуном, кинематически связанным с вертикальной направляющей и с движителем.
Расположение симметричных рычагов в горизонтальной плоскости позволяет отказаться от использования в конструкции тяжелой распорной балки, а отсутствие распорной балки в системе нагружения обеспечивает возможность получения заданной степени кривизны эталонной балки.
Шарнирная связь рычагов между собой и с движителем посредством коромысла, а также их шарнирная связь с основанием посредством шатунов упрощает кинематику соединения с движителем и, в свою очередь, обеспечивает возможность получения знакопеременного усилия без переворота балки.
Упрощение кинематики соединения с движителем и отсутствие тяжелой распорной балки уменьшает габариты устройства и его массу.
Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах изобретения, позволил установить, что заявитель не обнаружил аналоги, характеризующиеся признаками, тождественными всем существенным признакам устройства. Выбор прототипа позволил выявить совокупность существенных отличительных признаков устройства, не известных из уровня техники и не вытекающих для специалиста явным образом из известного уровня техники. Заявитель считает, что заявляемое изобретение соответствует условиям «новизна» и «изобретательский уровень».
Изобретение представлено на следующих фигурах.
Фиг. 1 - Устройство для получения чистого изгиба эталонной балки.
Фиг. 2 - Схема контакта опорных роликов и цилиндрических выступов пластин-«подушек».
Устройство (фиг. 1) состоит из двух симметричных, горизонтально расположенных рычагов 1 и 2, шарнирно соединенных между собой и с движителем посредством коромысла 3. На противоположных концах рычагов жестко закреплены обоймы («кулаки») 4 и 5, оснащенные каждая четырьмя опорными роликами, а именно верхними 6, 7 и нижними 8, 9. Таким образом, перечисленные элементы образуют два функционально целых звена 10 и 10а (рычаги в сборе), которые шарнирно соединены с основанием (станиной) 11 посредством двух симметрично расположенных шатунов 12 и 12а. Эталонная балка 13, установленная в рычагах между верхними 14 и нижними 15 пластинами-«подушками» вложена с минимальным зазором между верхними 6, 7 и нижними 8, 9 роликами.
Пластины-«подушки» 14 и 15 контактируют с эталонной балкой 13 посредством выступов цилиндрической формы, геометрические оси которых расположены в одной общей с соответствующими осями опорных роликов 6, 9 и 7, 8 плоскости, перпендикулярной оси балки 13 в плоскости изгиба (фиг. 2). Коромысло 3 шарнирно соединено своим центром симметрии с ползуном 16, находящимся в кинематической связи с вертикальной прямолинейной направляющей 17. На этой же оси подвеса коромысла 3 шарнирно закреплена головка ходового винта 18, кинематически связанного с гайкой 19, которая приводится во вращение червячным колесом 20, кинематически связанным с червяком 21, который вращается электродвигателем 22 (вся кинематическая цепочка от двигателя до коромысла является движителем).
Устройство работает следующим образом.
Устанавливают и закрепляют эталонную балку 13 в обоймах 4 и 5 горизонтальных рычагов 10 и 10а. Производят нагружение балки 13 путем включения двигателя 22 в прямом (обратном) направлении с заданным усилием. От двигателя 22 посредством кинематических связей усилие передается через ходовой винт 18 на коромысло 3, при этом ось коромысла движется вертикально вдоль направляющей 17 посредством ползуна 16. Коромысло 3 воздействует на шарнирно связанные с ним горизонтальные рычаги 10 и 10а, смещая обоймы рычагов вверх либо вниз. Происходит изгиб балки 13. При этом шарнирное соединение в виде шатунов 12 и 12а обеспечивает возможность определенной компенсации укорочения хорды изогнутой балки, заключенной между точками контакта противолежащих роликов с балкой 13. Система измерения деформации (на чертеже не показана) фиксирует изгиб балки при заданном усилии.
Основная цель создания настоящего изобретения состоит в расширении диапазона достигаемой кривизны «К», являющейся величиной, обратной радиусу кривизны «R» (K=1/R) и равной производной угла ϕ поворота касательной по криволинейной координате (K=dϕ/ds). Поставленная цель достигается тем, что рычаги в сборе 10 и 10а шарнирно соединены с основанием посредством шатунов 12, 12а. Назначение шатунов - компенсация разности между длиной дуги, заключенной между противоположными точками контакта балки с цилиндрическими выступами пластин-«подушек» и длиной вдоль этой же дуги между проекциями точек контакта внутренних роликов на поверхность балки. На фиг. 1 показаны силовые реакции Q1, Q2, Q3 и Q4, действующие на рычаги 10 и соответственно 10а. Со стороны шатунов действует сила Q4, направление которой определяется линией, проходящей через центры шарниров шатунов. Поскольку моменты трения в подшипниках роликов практически равны нулю и ролики контактируют с плоскими поверхностями пластин-«подушек», реакции Q1 и Q2 перпендикулярны этим плоским поверхностям и соответственно образуют пары сил, действующие на балку с обоих концов балки при отсутствии продольных и поперечных сил. Условие равновесия рычагов в любой фазе нагружения балки требует, чтобы реакция Q3 была параллельна реакции Q4, образуя с ней еще одну пару сил, уравновешивающую пару сил Q1 и Q2.
В реальном исполнении устройства его работа осуществляется при длине отрезка балки между внутренними выступами пластин-«подушек», равной 350 мм, центральном угле рабочего отрезка дуги ϕ=30 градусов, толщине балки 4 мм и относительной деформации на ее поверхности ε=0,003, при изгибе балки появляется разность между длиной дуги вдоль оси балки, заключенной между точками контакта балки с цилиндрическими выступами и длиной той же дуги между проекциями точек контакта роликов с пластинами и составляет около 1,94 мм с каждой стороны. Это означает, что ролики получают некоторый прокат по пластинам-«подушкам» при изгибе балки до заданного предела (в частном случае - радиус изгиба R=668,7 мм, стрелка прогиба Н=22,78 мм). Однако при реально высокой жесткости пластин-«подушек» 14,15 исключается их изгиб, нормали n1 и n2 в точках контакта верхних и нижних роликов с пластинами остаются параллельными общей нормали в точках контакта выступов пластин-«подушек» с деформируемой балкой, чем сохраняется параллельность силовых реакций и обеспечивается режим чистого изгиба.
Таким образом, изложенные сведения показывают, что предлагаемое изобретение в виде устройства для получения чистого изгиба эталонной балки предназначено для расширения диапазона кривизны эталонной балки, при существенном уменьшении габаритов устройства, при значительном снижении массы конструкции, снижении прилагаемых усилий для получения необходимой деформации, при достижении высокой степени точности измерения деформаций.