УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ РАДИУСА КРИВИЗНЫ ЦИЛИНДРИЧЕСКОЙ ПОВЕРХНОСТИ КРУПНОГАБАРИТНЫХ ДЕТАЛЕЙ

Полезная модель относится к средствам измерения геометрических параметров поверхности крупногабаритных деталей (далее КД), а именно к измерению радиуса кривизны цилиндрических изделий, преимущественно стальных труб магистральных трубопроводов с целью определения напряжений изгиба в стенках труб с изменяющейся кривизной их поперечных сечений при воздействии внутреннего давления среды.
Известно устройство для измерения радиуса кривизны цилиндрической поверхности КД, содержащее пару измерительных преобразователей (далее ИП) и корпус, опирающийся на измеряемую поверхность с помощью закрепленных по его концам трех опорных элементов, один из которых расположен на продольной оси корпуса с одной стороны, а два других - на противоположной стороне симметрично относительно продольной оси корпуса, причем, ИП расположены на середине расстояния между опорными элементами симметрично продольной оси корпуса (см. патент РФ №73963, МПК G01B 11/08, опубл. 10.06.2008).
Недостатки известного устройства состоят в следующем. При проведении большого числа измерений, особенно на наружных боковых и нижней поверхностях трубы, оператор устает в процессе удержания устройства на измеряемых точках, при этом точность и производительность труда падает. То же самое происходит при измерениях кривизны внутри трубы, особенно на верхней и боковых ее сторонах. Кроме того, требуется заранее нанесенная разметка объекта в виде окружностей с цифровыми данными, обозначающими каждый шаг установки устройства, что требует дополнительных трудозатрат.
В качестве прототипа к заявляемому устройству выбрано устройство для измерения радиуса кривизны цилиндрической поверхности КД в тяжелом машиностроении (см. патент РФ №56592, МПК G01B 11/255 опубл. 10.09.2006), содержащее корпус с двумя парами опорных роликов, расположенных по его концам и пару измерительных преобразователей, расположенных на середине базового расстояния между опорными роликами каждой пары с возможностью перемещения в направлении, перпендикулярном продольной оси корпуса.
Наличие роликов облегчает в некоторой степени перемещение устройства по измеряемой траектории по сравнению устройством по патенту РФ №73963, т.к. не требует его отрыва от поверхности детали, но при большом количестве измерений недостатки, присущие аналогу, будут проявляться и для прототипа. Наличие четырех роликов нарушает устойчивость положения устройства на измеряемой поверхности, что неизбежно приведет к повышению погрешности проводимых измерений. Невозможность изменения базового расстояния сужает область применения устройства для деталей различных габаритов, в частности, труб различного диаметра.
Задачей полезной модели является повышение точности измерения радиуса кривизны поверхностей цилиндрических деталей различного диаметра.
Техническим результатом является расширение арсенала технических средств.
Поставленная задача в устройстве для измерения радиуса кривизны цилиндрической поверхности КД, содержащем корпус, опирающийся на измеряемую поверхность с помощью закрепленных по концам корпуса опорных роликов на базовом расстоянии друг от друга, ИП, расположенные на середине базового расстояния, решается тем, что корпус, выполненный с возможностью изменения базового расстояния, содержит прямоугольные сквозные отверстия с вложенными и зафиксированными с помощью стопорных винтов постоянными магнитами, расположенными симметрично относительно измерительного преобразователя по длине корпуса, причем, на одном из его концов, выполненном с прорезью, расположен один опорный ролик, а два другие ролика, расположенные на другом конце корпуса, выполнены с нанесением шкалы на внешние их боковые поверхности.
Поставленная задача в устройстве также решается тем, что на концах корпуса размещены скрепленные с ним и контактирующие с измеряемой поверхностью упругие фрикционные элементы.
Устройство для измерения радиуса кривизны цилиндрической поверхности КД (далее устройство) изображено на фиг. 1, 2. На фиг. 1 представлен общий вид сбоку, на фиг. 2 - вид сверху без ИП.
Устройство состоит из корпуса 1 в виде стержня прямоугольного поперечного сечения с прямоугольными отверстиями 2, в которых размещены постоянные магниты 3, зафиксированные стопорными винтами 4. На одном из концов корпуса выполнена прорезь 5, в которой расположен один опорный ролик 6, установленный на ось 7, а на противоположном конце корпуса по его бокам на оси 8 установлены два опорных ролика 9, на внешних боковых поверхностях каждого из которых нанесена по кругу шкала с делениями для определения расстояния, пройденного устройством по поверхности крупногабаритной детали 11. В корпусе 1 выполнены дополнительные отверстия 12 для установки роликов с измененным базовым расстоянием. На середине базового расстояния выполнено круглое отверстие 13 для установки ИП 14 с фиксированием его стопорным винтом 15. На концах корпуса установлены на клеевой состав 16 упругие фрикционные элементы 17. На боковой поверхности корпуса 1 для отсчета расстояния нанесена стрелка-указатель 18.
Устройство работает следующим образом. Сначало его устанавливают на поверхность КД 11 с целью регулирования положения постоянных магнитов 3 и их фиксации таким образом, чтобы обеспечить сжатие фрикционных элементов 17 и достаточное прижатие опорных роликов 9 к поверхности КД 11, при этом силы трения между фрикционными элементами 17 и поверхностью КД 11 должны обеспечивать неподвижность устройства в любой точке поверхности КД 11 без помощи оператора, проводящего измерения. ИП 14 устанавливают и фиксируют стопорным винтом 15 в таком положении, чтобы измерительный элемент ИП 14 обеспечивал контакт с поверхностью КД 11 в любой измеряемой точке.
Далее, оператор устанавливает устройство в начальное положение на КД, например, таким образом, чтобы измерительный элемент ИП контактировал с верхней образующей КД, а стрелка-указатель 18 была направлена на начало отсчета по шкале 10 опорного ролика 9. Передвигая по окружности КД устройство на определенное расстояние, равное шагу измерений, оператор фиксирует показания ИП, которые отражают параметр кривизны поверхности КД в данной точке.
Пример. Необходимо подобрать параметры устройства для обеспечения его работоспособности и определения радиусов кривизны в окружном направлении с изменением изгибных напряжений в стенке стальной трубы диаметром 1420 мм магистрального газопровода.
у
δ
Основными параметрами устройства являются: вес устройства G (включая ИП), усилие притяжения N постоянных магнитов к стенке трубы, жесткость C фрикционного элемента, коэффициент f трения скольжения фрикционного элемента, по поверхности трубы, базовое расстояние ℓ(Фиг. 1). Главный показатель работоспособности устройства - обеспечение неподвижного (фиксированного) положения в любой точке трубы, в том числе на боковой поверхности и верхней части трубы при измерениях, проводимых в ее полости на внутренней поверхности.
у
рез
1м
м
В качестве фрикционных элементов выбираем мягкую или пористую резину с жесткостью при сжатии каждого элемента C=0,1 мм/H (H - сила в ньютонах). При установке устройства на трубу за счет силы притяжения магнитов толщина каждого фрикционного элемента уменьшается на 3 мм, для чего необходимо усилие прижатия, равное N=60H. Постоянные магниты подбираем с усилием притяжения к трубе N=50H каждый, или N=100H для двух магнитов при соблюдении воздушного зазора между их поверхностями и поверхностью трубы, равного 2,5÷5,0 мм.
ор
м
рез
ор
op
В потолочном положении устройства на внутренней поверхности трубы (возле верхней образующей) опорные ролики будут прижаты к трубе усилием N=N-N-G. Принимая G=10H, получаем N=30H, или каждый ролик будет прижат к трубе усилием N1=10H.
тр
тр
тр max
тр max
м
рез
На боковой образующей трубы неподвижность устройства должно обеспечивать усилие трения покоя, равное F=G·f. Принимая f=0,3, получим F=3Н. Максимальная сила трения покоя F, обеспечиваемая устройством, равна F=(N-N)·f=12 Н, т.е. устройство с запасом будет удерживаться на боковой образующей трубы.
δ
Оптимальное значение базового расстояния ℓ выбирают из опыта
н
δ
δ
δ
δ
определения радиуса кривизны ρ окружности трубы подобными устройствами. Применительно к трубам газопроводов диаметром D=1020-1420 мм оптимальное значение базового расстояния находится на уровне ℓ=200 мм. При меньших значениях ℓ существенно возрастает погрешность измерений по причине наличия микронеровностей поверхности труб, а при больших значениях ℓ радиус ρ в данной точке имеет недостоверное значение по причине его существенного изменения по длине ℓ.
Текущее значение ρ вычисляют по формуле:
0
где C=A-A - разность показаний ИП, мм;
A - показание ИП на трубе, мм;
0
ном
ном
0
A - показание ИП на горизонтальной поверхности, мм. Для номинального значения ρ=710 мм показатель C=6,38 мм при A=0. Если в качестве ИП применять индикатор часового типа с ценой деления, равной 0,01 мм, то при изменении значения C на эту величину (ΔC=±0,01 мм) значение радиуса изменится на величину Δρ=±1,1 мм, т.е. в 110 раз больше. Соответствующее изменение напряжений изгиба в стенке трубы определится по формуле:
ном
н
где ρ=710 мм - номинальное значение радиуса сечения трубы диаметром D=1420 мм;
1
ρ - фактическое значение радиуса трубы, мм;
δ - толщина стенки трубы, мм.
1
При δ=17 мм, ρ=710±1,1 мм, получим ΔG=±3,8 МПа. Таким образом, заявляемое устройство позволяет с достаточной точностью определить радиус кривизны в любой точке измеряемой поверхности.