ДИНАМОМЕТР Российский патент 1995 года по МПК G01L1/10 

Изобретение относится к силоизмерительной технике и может быть использовано в устройствах измерения, контроля и регулирования больших усилий сжатия около 1000 кг и более.

Известны динамометры с частотным выходным сигналом, содержащие силовоспринимающий упругий элемент с выполненным за одно цело с ним стержневым резонатором и систему возбуждения колебаний резонатора [1]
Известные динамометры основаны либо на изгибной деформации силовоспринимающего элемента, либо на его параллельном включении со стержневым резонатором. Они позволяют производить измерения с высокой точностью, отличаются малыми габаритами, удобством в эксплуатации и прочими достоинствами.

Однако если до какой-то величины измеряемых усилий габариты этих динамометров определяются в основном из конструктивных соображений, например размеров элементов системы возбуждения колебаний резонатора, то с ростом величин измеряемых усилий габариты определяются уже размерами силовоспринимающего элемента. При величинах измеряемых усилий более 1000 кг габариты динамометров становятся недопустимо большими и соответственно возрастают их вес, материалоемкость и пр.

В качестве прототипа предлагаемого динамометра выбран динамометр, содержащий кольцевой силовоспринимающий упругий элемент с расположенным по диаметру стержневым резонатором, систему возбуждения колебаний резонатора, состоящую из возбудителя, адаптера и усилителя [2]
Этот динамометр обладает теми же недостатками, а именно при измерении больших усилий имеет недопустимо большие габариты.

Задача, решаемая изобретением, направлена на уменьшение габаритов динамометра при измерении больших усилий.

Для этого в динамометре, содержащем кольцевой силовоспринимающий упругий элемент с расположенным по диаметру стержневым резонатором и систему возбуждения колебаний резонатора, состоящую из возбудителя, адаптера и усилителя, силовоспринимающие опорные поверхности кольцевого упругого элемента выполнены по торцам последнего.

Такое выполнение позволяет резко уменьшить габариты силовоспринимающего элемента, так как "раздавливание", "раздвигание" кольцевого упругого элемента при сжатии его по торцам допускает очень большие величины усилий даже при весьма небольших габаритах последнего.

Теоретически возможны самые различные формы выполнения кольца как в осевом, так и в поперечном сечении элемента. За счет изменения формы кольца можно в определенных пределах изменять диапазон измерения, чувствительность и другие характеристики динамометра.

Наиболее оптимальной, технологической и легко поддающейся расчету формой выполнения кольца является прямой круглый цилиндр. В этом случае регулировать чувствительность, например, можно путем выполнения внешней поверхности цилиндра с симметричной положительной конусностью в сторону торцов либо путем выполнения положительной конусности на торцовых поверхностях цилиндра.

Кроме того, есть еще один подход к регулировке чувствительности динамометра за счет соединения резонатора с упругим элементом с помощью жестких выступов. В этом случае варьированием длины резонатора достигается изменение его относительного удлинения при одном и том же усилии нагружения.

В некоторых случаях микронеровности и смещения в процессе нагружения или эксплуатации нагружающих поверхностей могут приводить к появлению в упругом элементе различного рода усилий или деформаций, изменению граничных условий, заделке упругого элемента. Это отрицательно сказывается на стабильности характеристик и, следовательно, точности измерения. В этих случаях для устранения упомянутых нежелательных эффектов целесообразно снабдить рабочие торцовые поверхности кольцевого упругого элемента распределенными по поверхности опорными элементами стандартными, выполненными, например, в виде упорных шариковых подшипников. Однако с учетом того, что нейтрализовать необходимо микросмещения, предлагается еще более перспективный вариант упругих подпятников в виде стержневидных выступов, образованных из тела упругого элемента и равномерно распределенных по его торцовым поверхностям. В этом случае стержни подвергаются микроизгибам и, не теряя устойчивости, нейтрализуют взаимные смещения. Реализация такой работы стержней достигается соотношением их жесткостей на растяжение сжатие и изгиб.

На фиг. 1 схематично показан динамометр; на фиг.2 кольцевой упругий элемент в разрезе, установленный между нагружающими поверхностями; на фиг.3 вариант выполнения кольцевого упругого элемента в форме прямого круглого цилиндра (показан в разрезе); на фиг.4 то же, но с симметричной положительной конусностью на внешней поверхности цилиндра; на фиг.5 то же, но с положительной конусностью на торцовых поверхностях; на фиг.6 вариант соединения стержневого резонатора с кольцевым упругим элементом жесткими выступами, в разрезе; на фиг. 7 вариант выполнения подпятника; на фиг.8 характеристики динамометра зависимость выходного сигнала (частоты F) от усилия нагружения Р, где а для варианта, изображенного на фиг.3,б на фиг.4,в на фиг.5.

Динамометр содержит силовоспринимающий кольцевой упругий элемент 1 с расположенным по диаметру стержневым резонатором 2 и систему возбуждения колебаний резонатора, состоящую из возбудителя 3, адаптера (съемника) 4 и усилителя 5. Силовоспринимающие опорные поверхности 6 и 7 кольцевого упругого элемента 1 выполнены по торцам последнего.

Теоретически возможны самые различные формы выполнения кольца 1 как в осевом, так и в поперечном сечениях. Наиболее оптимальной, технологической и легко поддающейся расчету формой выполнения кольца является выполнение его в форме прямого круглого цилиндра (фиг.3). За счет изменения формы кольца можно изменять как чувствительность, так и другие характеристики динамометра. В этом случае регулировки чувствительности можно достигнуть путем выполнения внешней поверхности цилиндра с симметричной положительной конусностью в сторону торцов (фиг. 3) либо путем выполнения положительной конусности на торцовых поверхностях цилиндра (фиг.3). Рассчеты показывают, что реальные углы А и В должны лежать в пределах 1 и 5^о соответственно. На фиг.8 показаны кривые характеристики динамометра в этих случаях. Кривая б соответствует углу В 3^о, а кривая в углу А 1^о. D изменение частоты резонатора.

Чувствительность динамометра можно также регулировать за счет соединения резонатора 2 с упругим элементом 1 с помощью жестких выступов 8 (фиг.6). В этом случае длина резонатора (L < D) может выбираться различной и, следовательно, относительное удлинение резонатора 2 также может быть различным при сохранении постоянными всех остальных параметров.

В некоторых случаях микронеровности и смещения в процессе нагружения нагружающих поверхностей 9 и 10 могут приводить к появлению в упругом элементе различного рода усилий или деформаций, искажающих характеристику динамометра. Для устранения этих эффектов целесообразно снабдить торцовые поверхности кольцевого упругого элемента 1 подпятниками. Подпятники могут быть как стандартными, выполненными, например, в виде упорных шариковых подшипников, так и специальными, выполненными в виде набора шариков, помещенных в сепаратор или в компаунд (на фигурах эти варианты не показаны). С учетом того, что в процессе нагружения наблюдаются только микросмещения, возможен более радикальный вариант подпятников в виде стержневидных выступов 11, образованных из тела упругого элемента 1 и равномерно распределенных по его торцовым поверхностям (фиг.7). В этом случае стержни 11 подвергаются микроизгибам и, не теряя устойчивости, осуществляют функцию подпятника. Реализация такой работы стержней достигается соотношением их жесткостей на растяжение-сжатие и на изгиб, т.е. параметрами l и S, где l длина стержня, S площадь его поперечного сечения.

Динамометр работает следующим образом.

При приложении измеряемого усилия Р к нагружающим поверхностям 9, 10 деформируется кольцевой упругий элемент 1, как бы "раздавливаясь" расширяясь. При этом стержневой резонатор 2 растягивается, что приводит к изменению частоты его собственных колебаний F. Возбуждение и съем колебаний резонатора осуществляются обычным способом от системы, состоящей из возбудителя 3, адаптера (съемника) 4 и усилителя 5.

Использование: в силоизмерительной технике при измерении больших усилий. Сущность изобретения: силовоспринимающие опорные поверхности 6 и 7 кольцевого упругого элемента 1 с расположенным по диаметру стержневым резонатором 2 выполнены по торцам кольца. Кольцевой упругий элемент 1 может быть выполнен в форме прямого круглого цилиндра. Внешняя поверхность цилиндра может быть выполнена с симметричной положительной конусностью в сторону торцов. Торцовые поверхности цилиндра могут быть выполнены с положительной конусностью. Резонатор 2 связан с упругим элементом 1 жесткими выступами. Торцовые поверхности кольцевого упругого элемента может быть выполнены с подпятниками. Возможно выполнение подпятников в виде стержневидных выступов, образованных из тела упругого элемента. 6 з. п. ф-лы, 8 ил.

1. ДИНАМОМЕТР, содержащий силовоспринимающий кольцевой упругий элемент с расположенным по диаметру стержневым резонатором и систему возбуждения колебаний резонатора, состоящую из возбудителя, адаптера и усилителя, отличающийся тем, что силовоспринимающие опорные поверхности кольцевого упругого элемента выполнены по торцам последнего. 2. Динамометр по п.1, отличающийся тем, что кольцевой упругий элемент выполнен в форме прямого круглого цилиндра. 3. Динамометр по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что внешняя поверхность цилиндра выполнена с симметричной положительной конусностью в сторону торцов. 4. Динамометр по пп.1 и 2, отличающийся тем, что торцевые поверхности цилиндра выполнены с положительной конусностью. 5. Динамометр по п.1, отличающийся тем, что резонатор связан с упругим элементом жесткими выступами. 6. Динамометр по п.1, отличающийся тем, что торцевые поверхности кольцевого упругого элемента снабжены подпятниками. 7. Динамометр по пп.1 и 6, отличающийся тем, что подпятники выполнены в виде стержневидных выступов, образованных из тела упругого элемента, и равномерно распределены по его торцевым поверхностям.