УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ РАБОЧИХ ОРГАНОВ ДОРОЖНЫХ МАШИН Российский патент 1995 года по МПК G01N3/00 E01H1/00 E01H5/00 E02F3/76 

Изобретение относится к стендовому оборудованию для исследования рабочих органов дорожных машин.

Известно устройство для исследования процессов резания грунта рабочими органами дорожных машин, содержащее секционный тензометрический нож, смонтированный на Г-образном тензозвене, причем секции ножа соединены с тензозвеном дополнительными рычагами. При резании ножом грунта Г-образное тензозвено обеспечивает измерение элементарных усилий резания по длине ножа.

Недостаток известного устройства состоит в том, что оно обеспечивает измерение преимущественно продольной горизонтальной и вертикальной составляющих усилия взаимодействия ножа с грунтом. В то же время значительное количество видов рабочих органов дорожных машин, в частности косо установленные ножи, отвалы и т.п. характеризуются еще и боковой горизонтальной составляющей силой, которая влияет на устойчивость движения дорожных машин.

Прототипом изобретения является устройство для исследования рабочих органов дорожных машин, содержащее смонтированное одним концом на корпусе Г-образное тензометрическое звено, снабженное тензометрами сопротивления, с жестко закрепленным на другом конце рабочим органом, которое расположено в вертикальной плоскости.

Изгибные деформации горизонтального и вертикального плеч Г-образного тензометрического звена под действием внешних нагрузок на рабочий орган позволяют раздельно измерять горизонтальную, вертикальную и боковую составляющие этих внешних нагрузок.

Недостаток прототипа состоит в том, что чувствительность Г-образного тензометрического звена к изгибным деформациям, измеряемым тензометрами сопротивления, прямым образом связана с его собственными изгибными деформациями. Увеличение чувствительности тензозвена за счет увеличения длины его горизонтального и вертикального плеч и уменьшения площади поперечного сечения этих плеч приводит к значительным деформациям тензозвена под действием внешних нагрузок на рабочий орган и нежелательным пространственным перемещениям этого рабочего органа, нарушающим точность исследования процессов его взаимодействия с грунтом или другим материалом. Например, изгибная деформация тензозвена в продольной вертикальной плоскости вызывает смещение рабочего органа по вертикали и неконтролируемое изменение толщины слоя материала, разрабатываемого рабочим органом. Кроме того, при исследовании колебательных и вибрационных процессов взаимодействия рабочих органов с материалом контролируемые колебания рабочего органа накладываются на неконтролируемые собственные колебания тензометрического звена, возникающие вследствие его малой изгибной жесткости, что не позволяет адекватно оценить влияние колебаний рабочего органа на эффективность разработки им материала. Таким образом, существует техническое противоречие: для увеличения чувствительности Г-образного тензометрического звена необходимо уменьшение его изгибной жесткости, что повышает точность исследования рабочих органов, и в то же время снижение изгибной жесткости тензозвена ухудшает точность позиционирования рабочего органа и адекватность оценки влияния динамических колебаний на процесс взаимодействия рабочего органа с материалом, что в целом существенно снижает точность исследований. Разрешением этого технического противоречия является изменение схемы установки и изгибного нагружения Г-образного тензометрического звена, которое может обеспечить максимальную величину изгибающих моментов, действующих в заданных сечениях этого звена, и возможность максимального уменьшения поперечных сечений звена и моментов сопротивления его изгибу при минимальных перемещениях рабочего органа, смонтированного на конце тензометрического звена.

Целью изобретения является повышение точности динамических исследований путем уменьшения перемещений рабочего органа вследствие упругих деформаций и колебаний тензометрического звена.

Для этого тензометрическое звено смонтировано на корпусе посредством промежуточной Г-образной рамы, вертикальное и горизонтальное плечи которой расположены параллельно и с зазором относительно соответствующих плеч Г-образного тензометрического звена и выполнены с площадью поперечного сечения, превышающего площадь поперечного сечения соответствующих плеч этого тензометрического звена. Горизонтальное плечо тензометрического звена выполнено с круглым поперечным сечением и связано с соответствующим плечом рамы посредством снабженной опорными шариками жесткой манжеты, охватывающей это круглое поперечное сечение тензометрического звена, с возможностью осевого перемещения и поворота и угловых перемещений тензометрического звена относительно этой манжеты, и дополнительно соединено с рамой упругим элементом со стороны, противоположной рабочему органу относительно манжеты. Вертикальное плечо тензометрического звена связано с соответствующим вертикальным плечом рамы в средней части с возможностью взаимных продольных, поперечных и угловых перемещений посредством опорных шариков, расположенных в зазоре между этими плечами в ряд по горизонтали, и в противоположной горизонтальному плечу верхней части упругим элементом, а на уровне указанных опорных шариков вертикальные плечи тензометрического звена и рамы дополнительно соединены между собой упругими элементами. Опорные шарики жесткой манжеты размещены в ее радиальных каналах с зазором относительно горизонтального плеча тензометрического звена, причем в этих радиальных каналах установлены по резьбе регулировочные винты, сопряженные своими концами с опорными шариками. Сопряженные со средней частью вертикального плеча тензометрического звена опорные шарики размещены в горизонтальных каналах вертикального плеча рамы, причем в этих горизонтальных каналах установлены по резьбе регулировочные винты, сопряженные своими концами с указанными опорными шариками. Опорные шарики жесткой манжеты расположены на расстоянии от упругого элемента, соединяющего заднюю часть горизонтального плеча тензометрического звена с промежуточной рамой, определяемом соотношением
a₁= где а₁ расстояние между опорными шариками жесткой манжеты и упругим элементом, соединяющим заднюю часть горизонтального плеча тензометрического звена с промежуточной рамой;
а расстояние между указанным упругим элементом и точкой пересечения продольной оси горизонтального плеча тензометрического звена с лобовой поверхностью смонтированного на нем рабочего органа;
а₂ расстояние между опорными шариками жесткой манжеты и серединой тензометров сопротивления, размещенных на горизонтальном плече тензометрического звена.

Опорные шарики, сопряженные с вертикальным плечом тензометрического звена, расположены на расстоянии от упругого элемента, соединяющего верхнюю часть этого вертикального плеча с промежуточной рамой, определяемом соотношением
b₁= где b₁ расстояние между опорными шариками вертикального плеча тензометрического звена и упругим элементом, соединяющим верхнюю часть этого вертикального плеча с промежуточной рамой;
b расстояние между указанным упругим элементом и продольной осью горизонтального плеча тензометрического звена;
b₂ расстояние между опорными шариками вертикального плеча тензометрического звена и серединой тензометров сопротивления, размещенных на этом вертикальном плече.

Для выявления соответствия изобретения критериям "новизна" и "существенные отличия" проанализируем отличительные признаки изобретения, известные из других технических решений. Например, известно устройство для изгибных испытаний конструкций, содержащее сочлененную посредством шарнира изгибаемую раму с опорами и измеритель изгибных деформаций рамы в виде индикатора. Установленный между рамой и испытываемым элементом конструкции силонагружающий домкрат обеспечивает одновременную изгибную деформацию рамы и испытываемого элемента. Однако в известном устройстве рама выполнена в виде S-образных элементов и не обеспечивает разделение изгибающих моментов от сил, действующих во взаимно перпендикулярных направлениях, так как предназначена для определения изгиба только от действия одной силы, перпендикулярной испытываемому элементу конструкции. Соответственно, отсутствуют шариковые опоры, служащие для разделения моментов взаимно перпендикулярных сил, и не применимы оптимальные соотношения размеров, определяющих расположение этих шариковых опор. Таким образом, известное устройство не обеспечивает решение задач, присущих предполагаемому изобретению, и не обладает совокупностью отличительных признаков, необходимых для решения указанных задач. Это позволяет сделать вывод о соответствии предлагаемого изобретения критериям "новизна" и "существенные отличия".

На фиг. 1 показан вид сбоку на устройство для исследования рабочих органов дорожных машин; на фиг. 2 вид сверху на устройство; на фиг. 3 поперечный разрез А-А на фиг. 2; на фиг. 4 поперечный разрез Б-Б на фиг. 2; на фиг. 5 поперечный разрез В-В на фиг. 1.

Устройство для исследования рабочих органов дорожных машин содержит расположенное в вертикальной плоскости Г-образное тензометрическое звено 1, горизонтальное плечо которого снабжено тензометрами сопротивления 2, а вертикальное плечо тензометрами сопротивления 3, подключенными к комплекту тензометрической аппаратуры (не показан). На переднем конце тензометрического звена 1 жестко закреплен рабочий орган 4 дорожной машины, например, в виде отвала снегоочистителя. Другим концом звено 1 закреплено на корпусе 5 посредством промежуточной Г-образной рамы 6. Вертикальное плечо рамы 6 расположено параллельно и с зазором h₁ относительно соответствующего вертикального плеча звена 1. Горизонтальное плечо рамы 6 расположено параллельно и с зазором h₂ относительно соответствующего горизонтального плеча звена 1 (фиг. 1 и 2). Вертикальное и горизонтальное плечи промежуточной рамы 6 выполнены с площадью поперечного сечения, превышающей площадь поперечного сечения соответствующих плеч тензометрического звена 1, как показано соответственно на фиг. 2 и 4. Горизонтальное плечо тензометрического звена 1 выполнено с круглым поперечным сечением (фиг. 3 и 4) и связано с соответствующим плечом рамы 6 посредством жесткой манжеты 7, снабженной опорными шариками 8 и охватывающей с зазором круглое поперечное сечение тензометрического звена 1. Тензометры сопротивления 2 размещены в плоских боковых дисках круглого горизонтального плеча звена 1. Манжета 7 закреплена на переднем конце промежуточной рамы 6 при помощи винтов 9. Соединение горизонтального плеча звена 1 с манжетой 7 выполнено с возможностью осевого перемещения и поворота и угловых перемещений звена 1 относительно этой манжеты 7 за счет того, что опорные шарики 8 размещены в радиальных каналах 10 жесткой манжеты 7 с зазором h₃ по крайней мере с одной стороны относительно горизонтального плеча звена 1 (фиг. 3). Задняя часть горизонтального плеча звена 1 дополнительно соединена со стороны, противоположной рабочему органу 4, с промежуточной рамой 6 посредством упругого элемента 11, например, пружины растяжения, который прикреплен к звену 1 и раме 6 при помощи винтов 12 (фиг. 4). В радиальных каналах 10 манжеты 7 установлены по резьбе регулировочные винты 13, сопряженные своими концами с опорными шариками 8.

Вертикальное плечо тензометрического звена 1 связано с соответствующим вертикальным плечом рамы 6 с возможностью взаимных продольных, поперечных и угловых перемещений посредством опорных шариков 14, расположенных в зазоре h₁ между этими плечами в ряд по горизонтали (фиг. 5). В противоположной горизонтальному плечу верхней части вертикальное плечо звена 1 дополнительно соединено с промежуточной рамой 6 упругим элементом 15, например, пружиной растяжения. На уровне опорных шариков 14 вертикальные плечи звена 1 и рамы 6 также соединены между собой упругими элементами (пружинами растяжения) 16, прикрепленными к звену 1 при помощи скобы 17 и винта 18, а к раме 6 при помощи винтов 19 (на фиг. 1 упругие элементы 16 условно смещены вверх относительно опорных шариков 14). Опорные шарики 14 размещены в горизонтальных каналах 20 вертикального плеча рамы 6, причем в этих каналах 20 установлены по резьбе регулировочные винты 21, сопряженные своими концами с опорными шариками 14 (фиг. 5). Таким образом, обеспечивается схема изгибных нагружений вертикального и горизонтального плеч звена 1 в виде двуплечих рычагов.

Опорные шарики 8 жесткой манжеты 7 расположены на расстоянии от упругого элемента 11, определяемом соотношением (фиг. 2)
a₁= где а₁ расстояние между опорными шариками 8 жесткой манжеты 7 и упругим элементом 11, соединяющим заднюю часть горизонтального плеча тензометрического звена 1 с промежуточной рамой 6;
а расстояние между упругим элементом 11 и точкой пересечения продольной оси горизонтального плеча звена 1 с лобовой поверхностью рабочего органа 4;
а₂ расстояние между опорными шариками 8 жесткой манжеты 7 и серединой тензометров сопротивления 2, размещенных на горизонтальном плече тензометрического звена 1.

Опорные шарики 14, сопряженные с вертикальным плечом тензометрического звена 1, расположены на расстоянии от упругого элемента 15, определяемом соотношением (фиг. 1)
b₁= где b₁ расстояние между опорными шариками 14 и упругим элементом 15, соединяющим верхнюю часть вертикального плеча тензометрического звена 1 с промежуточной рамой 6;
b расстояние между упругим элементом 15 и продольной осью горизонтального плеча тензометрического звена 1;
b₂ расстояние между опорными шариками 14 и серединой тензометров сопротивления 3, размещенных на вертикальном плече звена 1.

Указанные оптимальные соотношения размеров обеспечивают при постоянных величинах продольной Р и боковой Р_Б сил, действующих на середину рабочего органа 4 в горизонтальной плоскости со стороны разрабатываемого этим рабочим органом материала (фиг. 2), максимальные значения изгибающих моментов от действия этих сил в поперечных сечениях тензометрического звена 1, соответствующих серединам тензометров сопротивления 2 и 3. Это обеспечивает максимальную чувствительность тензометрического звена 1 при измерении сил Р и Р_Б при любых его габаритных размерах и площадях поперечного сечения его горизонтального и вертикального плеч. Расстояния а и b практически определяют габаритные размеры тензометрического звена 1 соответственно по горизонтали и вертикали. Минимальные расстояния а₂ и b₂ практически могут быть равны между собой и равны половине длины тензометров сопротивления 2 и 3.

Работа устройства осуществляется следующим образом. При взаимодействии рабочего органа с перемещающимся относительно него материалом (грунтом, снегом, загрязнениями и т.п.) на рабочий орган действуют в горизонтальной плоскости продольная сила Р и боковая сила Р_Б, которые могут быть условно приложены к середине рабочего органа (фиг. 2). От действия продольной силы Р горизонтальное плечо тензометрического звена 1 свободно перемещается в осевом направлении относительно жесткой манжеты 7 с опорными шариками 8, обеспечивая изгибную деформацию вертикального плеча звена 1 относительно опорных шариков 14. Изгиб верхней части вертикального плеча звена 1 относительно опорных шариков 14 происходит под действием реактивной силы растяжения упругого элемента 15 и регистрируется тензометрами сопротивления 3 обычным образом при помощи комплекта тензометрической аппаратуры (не показан). От действия боковой силы Р_Б происходит изгибная деформация горизонтального плеча звена 1 относительно одного из опорных шариков 8 жесткой манжеты 7, при этом изгиб задней части этого горизонтального плеча обеспечивается реактивной силой растяжения упругого элемента 11, а вертикальное плечо звена 1 свободно перемещается вбок относительно опорных шариков 14. Жесткая манжета 7 обеспечивает возможность угловых перемещений горизонтального плеча тензометрического звена 1. Изгиб задней части горизонтального плеча звена 1 регистрируется обычным образом при помощи тензометров сопротивления 2. При необходимости дополнительного измерения вертикальной силы, действующей на рабочий орган 4, сверху и снизу на горизонтальном плече звена 1 размещают дополнительные тензометры сопротивления. Настройка зазоров h₁, h₂ и h₃ между опорными шариками 8 и 14 и тензометрическим звеном 1 производится перемещением по резьбе винтов 13 и 21. При отсутствии внешних сил Р и Р_Б тензометрическое звено 1 удерживается упругими элементами 11, 15 и 16 от случайных перемещений. Кроме того, изменение жесткости упругих элементов 11 и 15 позволяет изменять собственную резонансную частоту колебаний тензометрического звена 1.

Преимуществами изобретения являются возможность уменьшения собственных изгибных деформаций тензометрического звена и перемещений вследствие этого рабочего органа при действии на него внешних сил с одновременным увеличением чувствительности Г-образного тензометрического звена при измерении указанных внешних сил и возможностью регулировки собственной частоты автоколебаний тензометрического звена, существенно влияющей на процесс разработки материала рабочим органом. Увеличение общей жесткости устройства и точности позиционирования рабочего органа обеспечивается за счет большого поперечного сечения горизонтального и вертикального плеч промежуточной рамы по сравнению с аналогичными плечами тензометрического звена и изменения схемы изгибных нагружений этих плеч тензометрического звена от простой консольной к более совершенной в виде двуплечих рычагов.

Изобретение относится к стендовому оборудованию для исследования рабочих органов дорожных машин. Сущность: устройство содержит Г-образное тензометрическое звено 1 с тензометрами сопротивления 2 и 3 и с жестко закрепленным на конце рабочим органом 4. Тензометрическое звено 1 смонтировано на корпусе 5 посредством промежуточной Г-образной рамы 6, вертикальное и горизонтальное плечи которой расположены параллельно и с зазорами относительно соответствующих плеч тензометрического звена 1, которое связано с соответствующим плечом рамы 6 посредством манжеты 7, охватывающей его с возможностью осевого перемещения и поворота, и угловых перемещений звена 1 относительно манжеты 7. Вертикальное плечо тензометрического звена 1 связано с вертикальным плечом рамы 6 в средней части с возможностью взаимных продольных, поперечных и угловых перемещений посредством опорных шариков 14, а в верхней части упругим элементом 15. Вертикальные плечи тензометрического звена 1 и рамы 6 дополнительно соединены между собой упругими элементами 16. 4 з. п. ф-лы, 5 ил.

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ РАБОЧИХ ОРГАНОВ ДОРОЖНЫХ МАШИН, содержащее смонтированное одним концом на корпусе Г-образное тензометрическое звено с установленными на нем тензометрами сопротивления и с жестко закрепленным на другом конце, расположенным в вертикальной плоскости рабочим органом, отличающееся тем, что тензометрическое звено смонтировано на корпусе посредством промежуточной Г-образной рамы, вертикальное и горизонтальное плечи которой расположены параллельно и с зазором относительно соответствующих плеч Г-образного тензометрического звена и выполнены с площадью поперечного сечения, превышающей площадь поперечного сечения соответствующих плеч звена, причем горизонтальное плечо последнего выполнено с круглым поперечным сечением и посредством охватывающей его, снабженной опорными шариками жесткой манжеты связано с соответствующим плечом рамы с возможностью осевого перемещения, поворота и угловых перемещений звена относительно манжеты и дополнительно посредством упругого элемента, размещенного по другую от рабочего органа сторону манжеты, соединено с рамой, а вертикальное плечо тензометрического звена связано с соответствующим вертикальным плечом рамы в верхней части посредством упругого элемента и в средней части посредством опорных шариков, расположенных в ряд по горизонтали в зазоре между этими плечами с возможностью взаимных продольных, поперечных и угловых перемещений, и дополнительно на уровне шариков вертикальные плечи звена и рамы соединены упругими элементами. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что опорные шарики жесткой манжеты размещены в ее радиальных каналах с зазором относительно горизонтального плеча тензометрического звена, причем в этих радиальных каналах установлены по резьбе регулировочные винты, сопряженные концами с опорными шариками. 3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что сопряженные со средней частью вертикального плеча тензометрического звена опорные шарики размещены в горизонтальных каналах вертикального плеча рамы, причем в этих горизонтальных каналах установлены по резьбе регулировочные винты, сопряженные концами с указанными опорными шариками. 4. Устройство по пп.1 и 2, отличающееся тем, что опорные шарики жесткой манжеты расположены от упругого элемента, соединяющего заднюю часть горизонтального плеча тензометрического звена с промежуточной рамой, на расстоянии

где a расстояние между указанным упругим элементом и точкой пересечения продольной оси горизонтального плеча тензометрического звена с лобовой поверхностью смонтированного на нем рабочего органа;
a₂ расстояние между опорными шариками жесткой манжеты и серединой тензометров сопротивления, размещенных на горизонтальном плече тензометрического звена. 5. Устройство по пп.1 и 3, отличающееся тем, что опорные шарики, сопряженные с вертикальным плечом тензометрического звена, расположены от упругого элемента, соединяющего верхнюю часть этого вертикального плеча с промежуточной рамой, на расстоянии

где b расстояние между указанным упругим элементом и продольной осью горизонтального плеча тензометрического звена;
b₂ расстояние между опорными шариками вертикального плеча тензометрического звена и серединой тензометров сопротивления, размещенных на этом вертикальном плече.