УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЖЕСТКОСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК АНИЗОТРОПНЫХ СТЕРЖНЕЙ
APPARATUS FOR DETERMINING RIGIDNESS CHARACTERISTICS OF ANISOTROPIC RODS

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения параметров анизотропных стержней, таких как изгибная жесткость и естественная кривизна.
Известно устройство для испытания образцов на чистый изгиб (патент РФ №2160892, МПК G01N 3/20, 20.12.2000), содержащее два опорных элемента для закрепления испытуемого образца и механизм, создающий изгибающий момент; опорные элементы выполнены в виде осей одноосных тележек; механизм, создающий изгибающий момент, представляет собой грузы, подвешенные на нитях, перекинутых через барабаны, закрепленные на осях тележек; на концах осей одноосных тележек в подшипниках установлены колеса, имеющие возможность перемещения по горизонтальной поверхности.
В данном устройстве реализуется схема нагружения чистого изгиба. Если проводить испытание с анизотропными телами, например такими как кабели или канаты, то при указанной схеме жесткого закрепления образцов на осях одноосных тележек движение образца кроме как в плоскости изгиба, связанное с анизотропией внутренней структуры образца, будет погашено, что внесет погрешность в определение изгибной жесткости и естественной кривизны образца. Это является недостатком данного устройства. Также снятие показаний осуществляется не в цифровой форме, что является недостатком, поскольку для дальнейшей обработки данных требуются большие временные затраты и возможны погрешности при расчете определяемых параметров образцов.
Известно устройство для определения жесткостных характеристик гибких кабелей, выбранное в качестве прототипа, позволяющее осуществить деформацию чистого изгиба и содержащее образец кабеля, снабженного захватами, соединенными с захватами нагрузочного устройства (Мусалимов В.М., Соханев Б.В. Механические испытания гибких кабелей. - Томск: Изд-во Томск, ун-та, 1984. - с.5-9). Загрузочное устройство установлено на подвижные платформы и снабженное шкивами, охваченными гибкими нитями с нагрузочными площадками. Нагрузочные шкивы связанны посредством шестеренчатой передачи с отсчетными дисками, помещенными на той же подвижной платформе, имеющей возможность свободного перемещения на рейке, прикрепленной стойками к неподвижному основанию. Перестройка прибора для осуществления деформации кручения осуществляется поворотом нагрузочного устройства вокруг вертикальной оси относительно подвижной платформы и перестановкой захватов образца торцевыми конусами в обратные конусы загрузочного устройства. Использование двух нитей с нагрузочными площадками по разные стороны шкива позволяет реализовать полный цикл деформации - нагружения и разгрузки в разных направлениях.
Это устройство для определения жесткостных характеристик гибких кабелей предназначено для определения зависимости момент - угол закручивания (поворота поперечного сечения при изгибе и при выходе из плоскости изгиба), по которым определяются жесткости при изгибе и при кручении.
Недостатки устройства состоят в том, что жесткое закрепление концов образца и его движение только в плоскости изгиба не позволяет реализовать схему свободного чистого изгиба, т.е. учесть вращательное движение поперечных сечений образца вокруг своей продольной оси и отклонение траектории движения образца из плоскости изгиба, что вносит погрешность в измерение жесткостных характеристик. Кроме этого, управление устройством и обработка данных производятся без участия ЭВМ, что увеличивает временные затраты и возможность погрешностей при расчете определяемых параметров анизотропных стержней.
Задача, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, заключается в повышении точности измерения параметров анизотропных стержней с одновременным сокращением временных затрат на обработку результатов.
Задача решена следующим образом. Устройство для определения жесткостных характеристик анизотропных стержней, содержащее шкивы, находящиеся на направляющих рейках, закрепленные на неподвижном основании, гибкие связи в виде тросов, крепление одного из концов испытуемого образца в виде захвата, находящегося на шкиве, также устройство снабжено электродвигателем, с валом которого через гибкую связь в виде тросов и датчик угловых перемещений соединены шкивы, на одном из которых установлены плоскошаровая опора с закрепленным на ней цанговым зажимом, который снабжен датчиком перемещений и датчиком угловых перемещений, вычислительной машиной, входы которой соединены с информационными выходами датчика перемещений, датчиков угловых перемещений, а выходы - с входом электродвигателя, входами датчика перемещений и датчиков угловых перемещений. Датчик перемещений выполнен в виде оптико-механического координатного датчика с шаровым приводом. Датчик угловых перемещений выполнен в виде установленных на цанговом зажиме и оптически сопряженных источника и двух приемников светового излучения, между которыми закреплен кодовый диск с лучевидными прорезями и системой смещенных отверстий. Второй датчик угловых перемещений выполнен в виде установленных на неподвижном основании и оптически сопряженных источника и приемника светового излучения, между которыми на оси блока, установленного на неподвижном основании, закреплен кодовый диск с лучевидными прорезями. Вычислительная машина выполнена в виде персонального компьютера. Электродвигатель выполнен в виде редуктора с шаговым двигателем.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена общая схема устройства, на фиг.2 - схема подключения вычислительной машины, на фиг.3 - возможные варианты движения анизотропного стержня при деформации изгиба при одном свободном конце, на фиг.4 - вид зависимости момент-угол закручивания.
Устройство для определения жесткостных характеристик анизотропных стержней содержит неподвижное основание 1, на котором закреплен электродвигатель 2, вал которого через систему блоков 3 и гибких связей в виде тросов 4 соединен со шкивами 5 и 6, установленными на направляющих рейках 7 и имеющих возможность перемещения по горизонтали. Направляющие рейки 7 закреплены на раме 8, которая установлена на неподвижном основании 1. На шкиве 5 установлен захват 9, который жестко закрепляет испытуемый образец 10 и имеет возможность поворота только в плоскости изгиба. На шкиве 6 установлена плоскошаровая опора 11, на которой крепится цанговый зажим 12 с установленными на нем датчиком угловых перемещений 13 и датчиком перемещений 14. На нижнем блоке системы блоков 3 и неподвижном основании 1 установлен датчик угловых перемещений 15. Информационные выходы датчиков угловых перемещений 13 и 15, информационный выход датчика перемещений 14 и информационный выход электродвигателя 2 соединены с входами В1, В2, В3 и В4 вычислительной машины 16 соответственно. Выходы В5, В6, В7, В8 вычислительной машины 16 соответственно соединены с входами датчиков угловых перемещений 13 и 15, входом электродвигателя 2 и с входом датчика перемещений 14. Схема подключения вычислительной машины 16 представлена на фигуре 2.
Устройство работает следующим образом. При подаче питания с выхода В7 вычислительной машины 16 на вход электродвигателя 2, соединенного через систему блоков 3 и гибких связей в виде тросов 4 с подвижными шкивами 5 и 6, поступает электрический ток. Также с выходов В5, В6, В8 вычислительной машины 16 поступает электрический ток на входы соответствующих датчиков 13, 14, 15. В результате этого возникает тяговое усилие, которое через систему блоков 3 и гибких связей в виде тросов 4 передается на подвижные шкивы 5 и 6, которые начинают поворачиваться, создавая равные сосредоточенные в концевых сечениях образца 10 изгибающие моменты. Информация о приложенном усилии поступает с информационного выхода электродвигателя 2 на вход В4 вычислительной машины 16. Стержень 10 при этом начинает деформироваться (изгибаться), а шкивы 5 и 6, на которых с одной стороны жестко, а с другой свободно закреплены концы образца 10, начинают двигаться по направляющим рейкам 7 в горизонтальной плоскости. Перемещение шкивов 5, 6 и угол поворота поперечного сечения стержня 10 при изгибе и при выходе из плоскости изгиба (фиг.3, а) отслеживается датчиком угловых перемещений 15 по углу поворота блока из системы блоков 3, установленному на неподвижном основании 1. Информация о текущем значении углового перемещения поступает с информационного выхода датчика 15 на информационный вход В2 вычислительной машины 16. При деформации изгиба анизотропного стержня 10 возникает моторный эффект (Мусалимов В.М. Механика деформируемого кабеля. Диссертация д.т.н. - Томск: изд-во Томского Инженерно-Строительного института, 1985. - с.19, 41, 210), т.е. вращательное движение его концевого сечения, закрепленного в цанговом зажиме 12, вокруг своей продольной оси. Цанговый зажим 12 имеет подвижную и неподвижную части, неподвижной частью цанговый зажим 12 крепится через плоскошаровую опору 11 к шкиву 6, а в подвижной части, закрепляется конец образца 10, подвижная часть цангового зажима 12 может свободно вращаться вокруг продольной оси закрепленного в ней образца. Для регистрации моторного эффекта в устройство введен датчик угловых перемещений 13, который установлен на подвижной части цангового зажима 12. С выхода В5 вычислительный машины 16 на вход датчика угловых перемещений 13 поступает электрический ток, после чего датчик угловых перемещений 13 регистрирует угол и направление вращения поперечного сечения образца 10 вокруг своей продольной оси (фиг.3, б). На информационном выходе датчика угловых перемещений 13 формируется информация о текущем угловом положении конца стержня 10, закрепленного в цанговом зажиме 12, которая поступает на вход В1 вычислительной машины 16. При деформации изгиба образца анизотропного стержня 10 возникает отклонение траектории движения конца стержня 10 из плоскости изгиба (фиг.3, в). Для учета и регистрации данного эффекта в установку введены плоскошаровая опора 11 и датчик перемещений 14. Датчик перемещений 14 закрепляется на цанговом зажиме 12, чувствительный элемент датчика перемещений 14 соединен с поверхностью шкива 6. С выхода В8 вычислительной машины 16 поступает электрический ток на вход датчика перемещений 14, после чего датчик перемещений 14 начинает регистрировать движение цангового зажима 12 и установленного в него конца стержня 10 относительно шкива 6. В результате чего на информационном выходе датчика перемещения 14 формируется информация о текущем положении относительно шкива 6 конца стержня 10, закрепленного в цанговом зажиме 12, установленного на плоскошаровой опоре 11, которая поступает на вход В3 вычислительной машины 16. Информация, поступающая с информационных выходов электродвигателя 2, датчика угловых перемещений 13, датчика угловых перемещений 15 и датчика перемещений 14 соответственно на входы В4, B1, В2, В3 вычислительной машины 16, отображается на экране вычислительной машины 16 и записывается в цифровой форме в виде отдельного файла. Полученные экспериментальные данные обрабатываются вычислительной машиной 16, строится зависимость момент-угол закручивания (поворота поперечного сечения при изгибе и при выходе из плоскости изгиба) исследуемого стержня 10, зависимость момент-угол закручивания (фиг.4), отображается на экране вычислительной машины 16 и записывается в цифровой форме в виде отдельного файла. Зависимость момент-угол закручивания анализируется вычислительной машиной 16 по следующим формулам (с учетом слабой нелинейности, которая позволяет осуществлять линейную аппроксимацию зависимости):
изгиба
изгиба
где ЕI - изгибная жесткость, M - изгибающий момент, φ - угол закручивания (поворота поперечного сечения при изгибе и при выходе из плоскости изгиба), l - длина образца.
где K - естественная кривизна, ρ - радиус естественной кривизны. Найденные значения изгибной жесткости и естественной кривизны испытуемого анизотропного стержня 10 сохраняются в виде отдельного файла и выводятся на экран вычислительной машины 16.
В качестве конкретного примера выполнения предлагается устройство для определения жесткостных характеристик анизотропных стержней, в котором электродвигатель 2 выполняется в виде редуктора с шаговым двигателем. Датчик угловых перемещений 15 выполняется в виде кодового диска с лучевидными прорезями и оптически сопряженных инфракрасных светодиода и фотодиода [патент РФ №2244290, МПК G01N 19/02, 10.01.2005]. Кодовый диск закрепляется на оси блока, который установлен на неподвижном основании 1, между оптически сопряженными светодиодом и фотодиодом. При подаче электрического тока на вход датчика угловых перемещений 15 светодиод начинает излучать световой поток, который попадает на поверхность кодового диска с лучевидными прорезями, через прозрачный участок кодового диска свет попадает на фотодиод или гасится непрозрачным участком при повороте кодового диска. Датчик угловых перемещений 13 выполняется в виде кодового диска с лучевидными прорезями и системой смещенных отверстий, оптически сопряженных инфракрасных светодиода и двух фотодиодов. Принцип работы и конструкция этого датчика схожи с принципом работы и конструкцией датчика угловых перемещений 15. Отличие заключается в том, что необходимо определять направление вращения, для этого в датчик угловых перемещений 13 установлен второй фотодиод, оптически сопряженный со светодиодом через смещенную систему отверстий на кодовом диске, таким образом свет на нем появляется/исчезает раньше или позже, в зависимости от направления вращения. Кодовый диск механически закрепляется на подвижной части цангового захвата 12 между оптически сопряженными светодиодом и двумя фотодиодами, которые закрепляются на неподвижной части цангового захвата 12. Датчик перемещений 14 выполняется в виде оптико-механического координатного датчика с шаровым приводом. Принцип работы датчика 14 схож с принципом и работы датчиков угловых перемещений 13 и 15. Оптико-механический датчик перемещений 14 состоит из двойной оптопары - инфракрасных светодиода и двух фотодиодов и кодового диска с лучевидными прорезями и смещенной системой отверстий, перекрывающего световой поток по мере вращения. Диски относительно друг друга расположены во взаимно перпендикулярных плоскостях, их оси соприкасаются с шаром привода. С другой стороны шар привода соприкасается с поверхностью шкива 6, поэтому движение испытуемого образца 10 с помощью шарового привода передается дискам, которые вращаются, и с фотодиодов снимается сигнал, соответствующий перемещению. Вторые фотодиоды, имеющие на дисках смещенные системы прорезей, служат для определения направлений вращения дисков, свет на них появляется/исчезает раньше или позже, чем на первых фотодиодах, в зависимости от направления вращения. Вычислительная машина 16 выполняется в виде персонального компьютера.
Таким образом, предлагаемое устройство для определения жесткостных характеристик анизотропных стержней позволяет реализовать схему свободного чистого изгиба, т.е. учесть вращательное движение поперечных сечений образца вокруг своей продольной оси и отклонение траектории движения образца из плоскости изгиба, что повышает точность в измерение жесткостных характеристик. Кроме этого, управление устройством и обработка данных производятся с помощью ЭВМ, что уменьшает временные затраты и возможность погрешностей при расчете определяемых параметров анизотропных стержней.
На основании вышеизложенного: заявляемая совокупность позволяет значительно повысить точность измерения параметров анизотропных стержней с одновременным сокращением временных затрат на обработку результатов.