УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ КОНТАКТНЫХ УСИЛИЙ Российский патент 2000 года по МПК G01L1/08 

Изобретение относится к технике измерения контактных усилий между соприкасающимися поверхностями тел (деталей конструкций).

Известен способ оценки распределения контактных напряжений (по авт.св. СССР N 249025, М.кл. G 01 L 1/24), заключающийся в том, что между соприкасающимися поверхностями размещают пластичную пленку из оптически чувствительного материала, которую затем просвечивают поляризованным светом в направлении действия контактных сил и по картине полос судят о распределении контактных напряжений.

Недостатками этого способа являются необходимость применения сложного поляризационно-оптического оборудования для просвечивания пленки, необходимость "замораживания" деформированной пленки (во избежание исчезновения следов деформации от сжатия) и невысокую точность определения контактных напряжений (менее 18. ..20% при значительных величинах контактных напряжений 300 МПа), при этом деформация пленки в центральной зоне контакта затруднена из-за всестороннего сжатия, что ограничивает возможности применения способа.

Известно также устройство для измерения контактных усилий (по авт.св. СССР N 546796, М.кл. G 01 L 1/22), состоящее из корпуса с пазом, в котором установлен упругий элемент из отдельных звеньев в виде стержней, соединенных стяжкой в пакет, при этом на каждом звене укреплен тензодатчик и со стержнями, установленными в пазу, контактирует исследуемое тело качения (6). Под действием контактных усилий стержни в пазу деформируются, а сигналы тензодатчиков (8) через боковые элементы (3) передаются и регистрируются измерительной схемой.

Недостатком этого устройства является сложность конструкции, низкая точность измерения, обусловленная невысокой чувствительностью тензодатчиков, причем применяются они при относительно высоких контактных усилиях. Погрешность измерения они дают порядка 5...20%.

Задачей, решаемой предлагаемым устройством, является повышение точности измерения контактных усилий и упрощение конструкции.

Эта задача решается тем, что устройство для измерения контактных усилий между прямоугольной штамповой плитой и цилиндрическими опорами под ней с помощью установленного между ними датчика выполнено так, что оно содержит силоизмерительное устройство и установленную под цилиндрическими опорами аналогичную штамповую плиту, при этом цилиндрические опоры расположены по периферии плоскостей плит в виде замкнутого прямоугольного контура, датчик размещен между верхней плитой и цилиндрическими опорами и выполнен в виде датчика трения, встроенного в трехслойную металлическую прокладку, верхний и нижний слой которой выполнены цельными и размещены по всему прямоугольному контуру, а средний слой состоит из двух частей: П-образной, охватывающей три стороны прямоугольного контура, и прямоугольной части, выполненной в виде мерной линейки с делениями, имеющей возможность продольного перемещения в разгруженном от верхней плиты состоянии, причем мерная линейка состоит из двух полос с просветом между соединяемыми торцами для установки датчика трения, полосы мерной линейки уширены для нанесения делений и жестко соединены между собой двумя пластинками сверху и снизу со стороны наружного края прокладки, а датчик трения расположен в зазоре между двумя дополнительными крепежными пластинками, имеет толщину, равную толщине среднего слоя прокладки, и соединен тягой с силоизмерительным устройством, причем диаметр d_оп цилиндрической опоры выбирают в диапазоне d_оп = (0,01...0,04)•a, где a - размер исследуемой стороны штамповой плиты, при этом ширину B_пр прокладки выбирают в диапазоне B_пр = (1...2)•d_оп, толщину t_сл слоев прокладки в диапазоне t_сл = (0,01...0,10)•d_оп, где d_оп - диаметр цилиндрических опор, причем датчик трения, верхний, средний и нижний слой металлической прокладки изготовлены из стали с чистотой обработки всех контактирующих поверхностей в зоне скольжения датчика трения по 9. ..10 классу чистоты и соответствием толщины t датчика трения, мерной линейки и трех слоев прокладки в пределах допуска от номинальной толщины t_ном
(t_ном+0,005•t_ном) > t > (t_ном-0,005•t_ном).

При d_оп < 0,01•a полоса контактных усилий вдоль образующей цилиндрических опор будет чрезмерно узкой, а при d_оп > 0,04•a - чрезмерно широкой. В итоге возникнут существенные искажения результатов измерений: в первом случае из-за повышенных контактных усилий и чрезмерной деформируемости контактных поверхностей, плиты, цилиндрических опор и слоев прокладок, во втором случае - из-за чрезмерно малых контактных усилий на единицу площади (или длины контура).

При ширине прокладок B_пр < 1•d_оп будет неудобным (непрактичным) монтаж (укладка) прокладки по цилиндрическим опорам, будет трудно центрировать прокладку. Кроме того, прочность слоев прокладки при многократном использовании может быть недостаточной. Ширина прокладок B_пр > 2•d_оп - будет неоправдана из-за большого расхода материала и неудобна при укладке на цилиндрические опоры под штампованную плиту из-за неудобства центрирования по контуру.

При толщине слоев прокладки t_сл < 0,01•d_оп будет происходить слипание полоски датчика трения с верхним или нижним слоями (одинаковыми с ней толщины) из-за неровностей контактных поверхностей и излишней деформативности слоев. Это будет вызывать значительные искажения в измерении контактных усилий в сторону увеличения. При толщине прокладки t_сл > 0,1•d_оп произойдет увеличение изгибной жесткости слоев прокладки и полоски датчика трения, что также приведет к искажению результатов измерения контактных усилий из-за неравномерного прилегания прокладки к опорному контуру.

При обработке контактирующих поверхностей до чистоты < 9 класса будут происходить искажения результатов измерений в сторону увеличения из-за возможного сцепления неровностей на контактирующих поверхностях, особенно при повышенных усилиях. При обработке контактирующих поверхностей до чистоты > 10 класса точность измерений не повысится, и трудоемкость повышения чистоты обработки будет неоправдана.

При отклонении толщины t полоски датчика трения, мерной линейки и всех трех слоев прокладки от номинальной (заданной) толщины t_ном в любую сторону от заданного диапазона
t > t_ном+0,005•t_ном или t < t_ном-0,005•t_ном
произойдет искажение результатов измерений контактных усилий.

Предлагаемое техническое решение позволит повысить точность измерений контактных усилий, упростить конструкцию устройства. Если при прототипе и базовом объекте погрешность измерений 5...20%, то при предлагаемом устройстве погрешность составляет 1...2% (согласно проведенных испытаний и НИР).

Новизна и изобретательский уровень предлагаемого технического решения обосновываются тем, что часть признаков и особенно полная совокупность признаков не обнаружена ни в одном из технических решений, рассмотренных при проверке новизны и сопостовительном анализе.

Предложенное устройство для измерения контактных усилий в одном из вариантов возможного осуществления представлено на прилагаемых чертежах.

На фиг. 1 показан общий вид устройства. На фиг. 2 приведен вид A-A на фиг. 1. На фиг. 3 вид B-B (увеличено) на фиг. 2. На фиг. 4 показана трехслойная (рамка) прокладка со вставленными в нее датчиком трения и мерной линейкой. На фиг. 5 вид C-C (вида D на фиг. 6). На фиг. 6 - вид D на фиг.4 и 5 - вид сверху узла соединения мерной линейки (среднего слоя прокладки) со встроенным датчиком трения. На фиг. 7 вид E-E на фиг. 6. На фиг. 8 вид F-F на фиг. 7.

Обозначение позиций на чертежах:
1 - верхняя штамповая плита, 2 - нижняя (опорная) штамповая плита, 3 - цилиндрическая опора, установленная на нижней штамповой плите, 4 - полоска датчика трения (датчик трения), 5 - трехслойная прокладка между плитой 1 и цилиндрическими опорами 3, 6 - верхний слой прокладки, 8 - П-образная часть среднего слоя прокладки, 9a - левая полоса (часть) мерной линейки, 9b - правая полоса (2-я часть) мерной линейки. Длина полосы 9a и 9b мерной линейки должна быть не менее размера o - исследуемой стороны штамповой плиты. 10 - пластина верхняя для жесткого соединения (например, с помощью пайки) левой полосы 9a с правой 9b (частей) мерной линейки, 11 - пластина нижняя того же назначения, 12 и 13 - левая и правая дополнительные крепежные пластинки, 14 - тросик силоизмерительного устройства, 15 - первый блок, 16 - второй блок силоизмерительного устройства, 17 - зубчатая рейка с (ручным) приводом (привод не показан) для вертикального подъема или опускания блока 16, 18 - третий блок силоизмерительного устройства, 19 - чаша весов (или динамометр), 20 - зажим для соединения тросика 14 с полосой 4 датчика трения.

Устройство для измерения контактных усилий может быть использовано следующим образом.

После монтажа устройства по схеме, изображенной на фиг. 1 - 8, устанавливается мерная линейка так, чтобы полоска датчика трения расположилась предпочтительно в крайнем левом положении (крайний левый угол трехслойной (рамки) прокладки рядом с П-образной частью среднего слоя). Первое измерение контактного усилия производится в этом положении. Для последующего измерения контактного усилия производится при поднятой плите 1 перемещение мерной линейки вправо на расстояние, при котором целесообразно производить замер (для более высокой точности измерения следует перемещать мерную линейку на небольшое расстояние). И так постепенно перемещаемся до крайнего правого положения (до правого внутреннего угла прокладки 5).

Измерение контактного усилия на каждом участке прямоугольного контура производится путем медленного перемещения вверх с помощью ручного привода 17 блока 16 как натяжного устройства.

При этом, постепенно усиливая натяжение тросика 14 до начала перемещения (скольжения) полоски 4 датчика трения, усилие вытягивания полоски передается другим концом тросика к чаше весов (или динамометру) 19.

Максимальное усилие F достигается в момент начала скольжения (вытяжки) полоски 4, после чего усилие резко уменьшается (стрелка падает до определенного уровня) и держится на одном и том же уровне до окончания процесса вытяжки полоски.

Максимальное усилие начала вытяжки F и является силой трения покоя.

Контактное усилие V в зоне действия датчика трения определяется из математической зависимости

где f - коэффициент трения.

Тарировочные зависимости между силой трения покоя и контактным усилием снимаются на той же установке при снятой верхней плите. Так как тарировка производится известным способом, то устройство для тарировки не показано.

Для измерения контактных усилий на противоположной стороне блока штамповых плит необходимо этот блок повернуть на 180^o, повернуть относительно штамповых плит прокладку 5 с полоской 4 тоже на 180^o так, что полоска 4 окажется на правой стороне (по фиг. 1), где находится система блоков и силоизмерительное устройство. Для измерения контактных усилий по остальным (коротким) сторонам прямоугольного контура (верхней и нижней стороне в плане на фиг. 2) необходимо в прокладке 5 П-образную часть среднего слоя заменить другим вариантом в соответствии с другими размерами сторон прямоугольного контура. Мерную линейку можно применять ту же.

Измерение контактных усилий производится аналогично.

Изобретение относится к технике измерений контактных усилий между соприкасающимися поверхностями двух тел. Устройство для измерения контактных усилий между прямоугольной штамповой плитой и цилиндрическими опорами содержит установленную под опорами аналогичную штамповую плиту. Цилиндрические опоры расположены по периферии плоскостей плит в виде замкнутого прямоугольного контура. Между верхней плитой и цилиндрическими опорами размещен датчик трения, встроенный в трехслойную металлическую прокладку. Верхние и нижние слои прокладки выполнены цельными и размещены по всему прямоугольному контуру. Средний слой состоит из двух частей: П-образной, которая охватывает три стороны прямоугольного контура, и прямолинейной части, выполненной в виде мерной линейки. Мерная линейка имеет возможность продольного перемещения в разгруженном от верхней плиты состоянии. Усилие вытягивания датчика трения с помощью натяжного устройства является мерой силы трения покоя. Контактное усилие в зоне датчика трения определяется по математической зависимости. Технический результат - повышение точности и упрощение конструкции. 3 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Устройство для измерения контактных усилий между прямоугольной штамповой плитой и цилиндрическими опорами под ней с помощью установленного между ними датчика, отличающееся тем, что оно содержит силоизмерительное устройство и установленную под цилиндрическими опорами аналогичную штамповую плиту, при этом цилиндрические опоры расположены по периферии плоскостей плит в виде замкнутого прямоугольного контура, датчик размещен между верхней плитой и цилиндрическими опорами и выполнен в виде датчика трения, встроенного в трехслойную металлическую прокладку, верхний и нижний слои которой выполнены цельными и размещены по всему прямоугольному контуру, а средний слой состоит из двух частей: П-образной, охватывающей три стороны прямоугольного контура, и прямолинейной части, выполненной в виде мерной линейки с делениями, имеющей возможность продольного перемещения в разгруженном от верхней плиты состоянии, причем мерная линейка состоит из двух полос с просветом между соединяемыми торцами для установки датчика трения, полосы мерной линейки уширены для нанесения делений и жестко соединены между собой двумя пластинками сверху и снизу со стороны наружного края прокладки, а датчик трения расположен в зазоре между двумя дополнительными крепежными пластинками, имеет толщину, равную толщине среднего слоя прокладки, и соединен тягой с силоизмерительным устройством. 2. Устройство по п.1. отличающееся тем, что диаметр d цилиндрических опор выбирают в диапазоне d = (0,01 ... 0,04) a, где a - размер исследуемой стороны штамповой плиты. 3. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что ширину b прокладки выбирают в диапазоне b = (1 ... 2) d, толщину t слоев прокладки - в диапазоне t = (0,01 ... 0,10) d, где d - диаметр цилиндрических опор. 4. Устройство по любому из пп.1 - 3, отличающееся тем, что датчик трения, верхний, средний и нижний слои металлической прокладки изготовлены из стали с чистотой обработки всех контактирующих поверхностей в зоне скольжения датчика трения по 9 и 10 классу чистоты и соответствием толщин t датчика трения, мерной линейки и трех слоев прокладки в пределах допуска от номинальной толщины t - (t + 0,005 t) t (t - 0,005 t).