СТЕНД ДЛЯ ГРАДУИРОВКИ ТЕНЗОЭЛЕМЕНТОВ
BENCH FOR CALIBRATION OF STRAIN ELEMENTS

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к тензометрии.
Известно устройство для измерения деформаций и сил [АС РФ №2010155, G01B 7/18, опубл. 30.03.1994 г.], содержащее чувствительный элемент в виде упругого деформационного кольца с тензорезисторами, опорные стержни, жестко связанные с упругим деформационным кольцом в его диаметрально противоположных точках, регистратор выходных сигналов и устройство для регулировки предварительного натяжения чувствительного элемента, выполненное в виде рамы с двумя отверстиями - с микрометрической резьбой и гладким, расположенными в прямопротивоположных перемычках рамы. Посредством этих отверстий рама взаимодействует с двумя съемными опорными стержнями с шариковыми наконечниками, жестко связанными с упругим кольцом в прямопротивоположных местах. При этом соединительные элементы выполнены у одного стержня в виде микрометрического винта, а у другого - головки винта.
Основным недостатком изобретения является то, что его конструкция обеспечивает приложение измеряемой нагрузки только в одном направлении - на сжатие, что ограничивает область применения данного устройства при измерении сил и перемещений в различных системах, подвергающихся воздействию механических нагрузок.
Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является градуировочный стенд [Пресс, И.М. Грузоподъемные машины: Методические указания к выполнению лабораторных работ / И.М. Пресс, В.И. Эвелеков. - СПб: СЗТУ, 2003. - 27 с.], состоящий из динамометра, подвешенного на специальной траверсе, тензоэлемента, нагрузочного винта, двух шарнирных переходников для крепления тензоэлемента к динамометру и нагрузочному винту.
В результате анализа были выявлены следующие недостатки стенда:
- ограниченная область его применения - только для демонстрации основных принципов электротензометрического метода измерения деформаций и усилий в элементах крановых механизмов в лабораторных условиях;
- простейшая конструкция тензоэлемента обеспечивает приложение деформирующей нагрузки только в одном направлении (на растяжение);
- привязка стенда к одному конкретному рабочему месту в лабораторном помещении вследствие отсутствия собственной рамы, обеспечивающей перемещение стенда в пространстве и его мобильность.
Техническим результатом изобретения является расширение области практического применения стенда и тензоэлемента, обеспечение мобильности стенда.
Технический результат достигается тем, что в стенде для градуировки тензоэлементов, содержащем динамометр ДПУ, тензоэлемент, механизм нагружения, шарнирный переходник и комплекс измерительно-регистрирующей аппаратуры, новым является то, что стенд содержит соединительные элементы и крепежные детали для фиксации тензоэлемента в трех пространственных положениях с целью нагружения его в направлении действия одной из трех соответствующих составляющих нагружающего усилия, а также последующей его разгрузки, в качестве механизма нагружения используется талреп, тензоэлемент оснащен съемным кронштейном для крепления одиночного режущего инструмента, все компоненты стенда, собранные в единую кинематическую цепь, размещаются на раме. Также, новым является то, что тензоэлемент представляет собой полую балку с наклеенными на нее тремя блоками тензорезисторов, каждый из которых воспринимает деформации тензоэлемента, создаваемые горизонтальной, вертикальной и боковой составляющими нагружающего усилия, а рама включает опору, вертикальную стойку, горизонтальную балку и укосины.
Эти отличия позволяют сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию «новизна». Признаки, отличающие заявляемое устройство от прототипа, не выявлены в других технических решениях и, следовательно, обеспечивают заявляемому решению соответствие критерию «изобретательский уровень».
Изобретение поясняется чертежами. На фиг.1 показан стенд для градуировки тензоэлементов с размещением компонентов в положении соответствующем градуировке горизонтальной составляющей нагружающего усилия; на фиг.2 - выносной элемент А фиг.1; на фиг.3 - стенд для градуировки тензоэлементов с размещением компонентов в положении соответствующем градуировке вертикальной составляющей нагружающего усилия; на фиг.4 - стенд для градуировки тензоэлементов с размещением компонентов в положении соответствующем градуировке боковой составляющей нагружающего усилия.
Стенд для градуировки тензоэлементов (фиг.1) включает раму, состоящую из опоры 1, стойки 2, балки 3, выполненных, например, из швеллера №10, а также укосин 4. На боковых полках швеллера в нижней части стойки 2 и передней части балки 3 выполнены отверстия 5 и 6. На горизонтальных поверхностях опоры 1 и балки 3 выполнены отверстия 7 и 8, расположенные на одной оси. Тензоэлемент 9 с закрепленным на нем кронштейном 10 посредством пластин 11 и шпилек 12, установленных в отверстиях 5 и отверстиях несущей плиты 13 тензоэлемента жестко крепится на стойке 2. Тензоэлемент 9 (фиг.2) представляет собой полую балку 14 с наклеенными на нее по определенной схеме тензорезисторами 15, расположенную под прямым углом к поверхности несущей плиты 13 и жестко закрепленную на ней. На свободном конце балки 3 (фиг.1) снизу посредством болта 16 вставленного в отверстие 8 и зафиксированного гайкой, закреплена вилка 17, в отверстиях которой установлен болт 18, продетый через верхнюю серьгу 19, несущую динамометр 20. Нижняя серьга 21 динамометра 20 посредством шарнирного переходника 22 и двух болтов с гайками, соединяет динамометр 20 с ушком талрепа 23, гак 24 которого находится в зацеплении со стержнем 25, вставленным в отверстия кронштейна 10.
Стенд для градуировки тензоэлементов работает следующим образом.
Для градуировки горизонтальной составляющей нагружающего усилия все компоненты стенда размещаются на раме стенда в порядке, описанном выше (фиг.1). При этом все элементы кинематической цепи (КЦ) располагаются вдоль линии действия горизонтальной составляющей нагружающего усилия, приведенной к оси вращения режущего инструмента (например, дискового резца), при испытаниях размещаемого на валу в отверстиях кронштейна 10. При отсутствии натяга в КЦ вращением поворотного ранта производится совмещение отсчетной стрелки динамометра 20 с нулевым делением его шкалы. Затем, вращением муфты талрепа 23 в соответствующем направлении осуществляются пошаговое ступенчатое нагружение тензоэлемента до заданной величины и последующая его ступенчатая разгрузка с тем же шагом. Шаг нагружения и разгрузки контролируется по показаниям динамометра 20.
Для градуировки вертикальной составляющей нагружающего усилия (фиг.3), вилка 17 устанавливается на опоре 1 и крепится посредством болта 16, вставленного в отверстие 7 и зафиксированного гайкой. Тензоэлемент 9 с закрепленным на нем кронштейном 10 устанавливается несущей плитой 13 на горизонтальной поверхности балки 3 и жестко крепится на ней посредством пластин 11 и шпилек 12, установленных в отверстиях 6 и отверстиях несущей плиты 13. На свободных концах стержня 25 вставленного в отверстия кронштейна 10 навешаны тяги 26 и 27 имеющие на нижних концах отверстия, в которые вставлен стержень 28 находящийся в зацеплении с гаком 24 талрепа 23. На поверхности стержней 25 и 28 для предотвращения их осевого смещения, соскальзывания тяг 26 и 27 и смещения гака 24 талрепа 23 выполнены кольцевые проточки соответствующей ширины (на чертеже не показаны). Ушко талрепа 23 посредством шарнирного переходника 22 и двух болтов с гайками соединено с верхней серьгой 19, несущей динамометр 20. Нижняя серьга 21 посредством продетого через нее болта 18 соединена с вилкой 17. Таким образом, все элементы КЦ располагаются вдоль линии действия вертикальной составляющей нагружающего усилия, приведенной к оси вращения режущего инструмента (например, дискового резца), при испытаниях размещаемого на валу в отверстиях кронштейна 10. Градуировка тензоэлемента по вертикальной составляющей нагружающего усилия осуществляется в порядке, аналогичном порядку, описанному для варианта с горизонтальной составляющей.
Для градуировки боковой составляющей нагружающего усилия (фиг.4) тензоэлемент 9 с закрепленным на нем кронштейном 10 посредством двух шпилек 12, установленных в отверстиях несущей плиты 13 и отверстиях дополнительных кронштейнов 29 жестко крепится в нижней части стойки 2 рамы стенда, при этом ось отверстий в кронштейне 10 совпадает с осью отверстий 7 и 8. Вилка 17, динамометр 20 и талреп 23 размещены на раме в порядке аналогичном порядку, описанному для градуировки горизонтальной составляющей усилия резания. В нижнем резьбовом отверстии муфты талрепа 23 вместо гака 24 установлена шпилька 30 пропущенная через отверстия кронштейна 10 и зафиксированная снизу гайкой 31 упирающейся в шайбу 32. Таким образом, все элементы КЦ располагаются вдоль линии действия боковой составляющей нагружающего усилия, приведенной к оси вращения режущего инструмента (например, дискового резца), при испытаниях размещаемого на валу в отверстиях кронштейна 10. Градуировка тензоэлемента по боковой составляющей нагружающего усилия осуществляется в порядке, аналогичном порядку, описанному для варианта с горизонтальной составляющей.
Запись, хранение и обработка значений усилий воспринимаемых тензоэлементом осуществляется комплексом измерительно-регистрирующей аппаратуры, компонентами которого, кроме тензоэлемента, являются тензометрический усилитель, аналого-цифровой преобразователь (АЦП), программный продукт, обеспечивающий работу АЦП, и персональный компьютер с монитором (на чертеже не показаны). Полученные диаграммы усилий подлежат дальнейшей обработке.
Стенд для градуировки тензоэлементов может быть размещен в любом удобном месте лабораторного или аудиторного помещения и использоваться для демонстрации студентам основных принципов электротензометрического метода измерения деформаций и усилий в элементах различных механизмов, а также может быть перемещен к месту расположения специального стенда для испытания рабочих органов землеройных машин (например, в неотапливаемое помещение при проведении низкотемпературных исследований) и использоваться на подготовительном этапе научно-исследовательских работ для градуировки тензоэлемента, который при установке на специальный стенд позволяет определять три составляющие усилия, возникающего на испытуемом инструменте при его взаимодействии с разрушаемой средой.
Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет расширить область практического применения стенда и тензоэлемента, а также обеспечить мобильность стенда.