ДАТЧИК РАДИАЛЬНОЙ ДЕФОРМАЦИИ (ВАРИАНТЫ)

Полезная модель относится к области измерительной техники и может найти применение для измерения поперечных размеров стержневых изделий, при экспериментальных исследованиях явлений пластичности материалов. Преимущественной областью применения являются измерение радиальных размеров гайки при контроле затяжки резьбовых соединений.
Известно, что для измерения поперечных деформаций применяются многие приборы при помощи механических, оптических, электрических, гидравлических и т.п. систем. Поперечные деформации в образцах вызывают перемещения опор измерительного прибора. В связи с тем, что поперечные деформации в несколько раз меньше продольных деформаций, приборы для измерения поперечных деформаций должны обладать значительно большим увеличением, чем для измерения продольных деформаций. К механическим приборам для измерения поперечных деформаций относятся приборы с индикаторами часового типа, приспособления с использованием прибора Гугенбергера, рычажно-индикаторные приборы Г.Захса, зеркально-роликовые конструкции Г.В.Трапезникова и др. (см. Дворниченко А.С. Приборы для измерения поперечных деформаций // Заводская лаборатория.-1955.- №4.- С.483-486)).
К их недостаткам относятся сравнительно большие габаритные размеры, сложность установки и закрепления этих приборов на образцах.
Известны также способы измерения поперечных деформаций, например, путем наклеивания тензорезисторов на тело гайки (см. Paland E.G. Gewindelastverteilunq in der Schrauben - Mutter - Verbindunq. Konstruktion, 19 (1967) Neft 9, s.345-350.)
Недостатком вышеописанного способа является большая трудоемкость, связанная с наклеиванием тензорезисторов, необходимость их последующей тарировки, а также одноразовость использования тензорезисторов.
Известен тензодатчик, содержащий преобразователь линейных перемещений из двух взаимно перемещающихся элементов, каждый из которых установлен на отдельную платформу, снабженную линейными или точечными опорами со стороны деформируемой поверхности и прижимом, действующим перпендикулярно этой поверхности (описание к патенту РФ №2343401, кл. G01В 7/16, опубликованное 10.01.2009 г.). Этот известный тензодатчик может быть выполнен с емкостным преобразователем линейных перемещений и прижимом платформ в виде грузов или с индуктивным преобразоватлем линейных перемещений и прижимом в виде двух постоянных магнитов.
Недостатком устройства является сложность изготовления, зависимость индуктивных или емкостных линейных преобразователей от влияния электромагнитных полей, влажности, а также сложность крепления датчика при измерении поперечных деформаций.
Близким техническим решением для обоих вариантов заявляемой полезной модели является датчик для измерения радиальной деформации гайки, описанный в статье «Радиальная деформация гайки» (Исследование, конструирование и расчет резьбовых соединений. Прочность резьбовых соединений. Межвуз. научн. сб. Изд-во Саратов, ун-та, 1983. - с.4) [1]. Этот датчик принят за прототип для каждого варианта полезной модели. Датчик по прототипу содержит упругое кольцо, охватывающее гайку и снабженное опорной призмой, закрепляемой на внутренней поверхности упругого кольца. Для крепления датчика на измеряемом изделии и установки нуля измерительной системы служит регулировочный винт. На внутреннюю и внешнюю поверхности упругого кольца напротив друг друга наклеено два тензорезистора. При простоте конструкции датчик обладает высокой точностью. Недостатком конструкции является то, что кольцо по прототипу выполнено с одинаковым поперечным сечением. Это ограничивает длину нарезаемой резьбы для регулировочного винта, а увеличение толщины кольца (поперечного сечения) приводит к увеличению жесткости датчика и, следовательно, снижению его деформации. Поскольку радиальные деформации изделий обычно измеряются в мкм, повышение чувствительности датчика имеет большое значение.
Задача полезной модели для обоих вариантов состоит в повышении точности определения радиальной деформации, исключения необходимости тарировки при последующих измерениях, упрощения установки датчика на испытуемое изделие, а также установки «нуля» при проведении измерений.
Технический результат при реализации датчиков по каждому из вариантов, позволяющих решить поставленную задачу, заключается в повышении чувствительности датчиков.
Задача и технический результат достигнуты следующим образом.
По первому варианту датчик радиальной деформации согласно заявляемой полезной модели, как и прототип, содержит упругое кольцо, опору для измеряемого изделия, закрепленную на внутренней поверхности упругого кольца, регулировочный винт для крепления датчика на измеряемом изделии и установки нуля измерительной системы, тензорезисторы, наклеенные напротив друг друга на внутренней и внешней поверхностях упругого кольца. В отличие от прототипа упругое кольцо датчика радиальной деформации по первому варианту выполнено с переменным сечением, а опора для измеряемого изделия и регулировочный винт расположены напротив друг друга в местах наибольшего сечения упругого кольца, при этом тензорезисторы наклеены в местах наименьшего сечения.
По второму варианту датчик радиальной деформации согласно заявляемой полезной модели, как и прототип, содержит замкнутый каркас, опору для измеряемого изделия, закрепленную на внутренней поверхности каркаса, регулировочный винт для крепления датчика на измеряемом изделии и установки нуля измерительной системы и тензорезисторы, наклеенные напротив друг друга на внутренней и наружной поверхностях каркаса. В отличие от прототипа каркас датчика радиальной деформации по второму варианту выполнен в виде двух жестких пластин, соединенных между собой посредством двух дугообразных упругих прямоугольных пластин меньшего сечения, при этом опора для измеряемого изделия и регулировочный винт установлены напротив друг друга на жестких пластинах, а тензорезисторы расположены на дугообразных упругих прямоугольных пластинах. Для удобства монтажа датчика радиальной деформации на изделии каркас может быть выполнен составным.
В частных случаях для повышения чувствительности датчик радиальной деформации может содержать две пары тензорезисторов: в первом варианте исполнения - на упругом кольце в наименьшем сечении, а во втором варианте - на дугообразных упругих пластинах. Опора для измеряемого изделия выполнена в виде трехгранной призмы.
Датчики радиальной деформации, включающие совокупность существенных признаков как в первом, так и втором вариантах, в уровне техники не обнаружены. Это подтверждает соответствие полезной модели в обоих вариантах условию патентоспособности «новизна».
Сущность датчика радиальной деформации поясняется чертежами.
На фиг.1 показана конструкция датчика по первому варианту. На фиг.2 - датчик радиальной деформации по второму варианту.
Устройство по первому варианту (фиг.1) содержит одну или две пары тензорезисторов 1, наклеенных на внутренние и наружние поверхности упругого кольца 3 с переменным сечением, в местах с наименьшей площадью поперечного сечения кольца, а в сечениях с наибольшей площадью сечения расположены линейная призматическая опора 5 и установочной винт 2, предназначенный для закрепления датчика на изделии 4 и установки «нуля» на измерительном приборе (на чертеже не показан). По второму варианту (фиг.2) каркас датчика состоит из жестких пластин 6, 7 и дугообразных упругих прямоугольных пластин 8, 9., которые закреплены на жестких пластинах 6, 7, например, при помощи пайки. Каркас может быть выполнен сборным. Тензорезисторы 1 в датчике радиальной деформации по второму варианту наклеены на дугообразные упругие прямоугольные пластины 8 и 9, а опора 5 и регулировочный винт 2 располагаются на жестких пластинах 6,7.
Устройство работает следующим образом.
При изменении поперечных размеров изделия, установленный на нем датчик при помощи призматической опоры 5 и установочного винта 2, начинает деформироваться, а кольцо 3 (фиг.1) или дугообразные упругие прямоугольные пластины 8,9 (фиг.2) испытывать растягивающие и сжимающие напряжения, которые фиксируются тензорезисторами 1, сигнал от которых поступает на вход измерительного усилителя. Использование в качестве преобразователя одной или двух пар тензорезисторов, работяющих одновременно на растяжение и сжатие повышает чувствительность датчика практически вдвое.
Применение предлагаемой полезной модели позволяет упростить конструкцию устройства и его настройку, уменьшить габаритные размеры, расширить возможности применения датчика в производственных условиях.
Полезная модель промышленно применима. Ее изготовление не представляет технической трудности для обоих вариантов. Изготовление и использование датчика радиальной деформации для измерения поперечных размеров стержневых изделий позволяют достичь указанного технического результата, что подтвердили проведенные авторами исследования.
Установлено, что при циклическом нагружении резьбового соединения наблюдается радиальная деформация тела гайки [1]. Радиальная деформация пропорциональна усилиям затяжки. Таким образом, для достижения контролируемого усилия затяжки с достаточной точностью необходимо зафиксировать величину радиальной деформации, соответствующей заданному усилию затяжки.
Вот некоторые примеры. Эксперименты выполнялись с гайками М12×1,5 мм, высотой 19 мм и размером под ключ S=19 мм. При осевом нагружении до 45 кН радиальная деформация составляла 18 мкм и уверенно записывалась на двухкоординатном самопишущем потенциометре ПДС-021 м.
Приведенный пример не ограничивает область применения датчика согласно полезной модели. Его применение эффективно при измерении поперечных деформаций любых стержневых изделий.