СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ НАТЯЖЕНИЯ ГИБКИХ ДЛИННОМЕРНЫХ ИЗДЕЛИЙ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2004 года по МПК G01L5/04 

Изобретения относятся к области измерительной техники, в частности, к измерению натяжения движущейся проволоки в процессе ее волочения.

Известен способ измерения натяжения проволочной арматуры, включающий опирание участка проволоки в двух крайних опорных точках, воздействие на среднюю точку данного участка поперечным усилием и замер этого усилия и прогиба арматуры (см., например, авторское свидетельство СССР №338797, кл. G 01 L 5/04, 1972 [1]).

Известно также устройство для реализации способа измерения натяжения проволочной арматуры, которое содержит два опорных ролика и толкатель, движение которого осуществляется через эксцентрик, соединенный с рычагом [1].

Известный способ [1] не позволяет измерить натяжение в движущихся гибких изделиях.

Устройство [1] для реализации известного способа сравнительно сложно, трудоемко в изготовлении, требует применения гидравлического привода.

Наиболее близким по технической сущности аналогом изобретения в части способа является известный способ измерения натяжения гибких длинномерных изделий, включающий опирание участка гибкого изделия (в данном случае, каната) в двух крайних опорных точках, нажатие на среднюю точку участка прогиба, измерение результирующего прогиба и определение искомой величины натяжения (см., например, авторское свидетельство СССР №311155, кл. G 01 L 5/04, 1970 [2]).

В части устройства наиболее близким аналогом изобретения является известное устройство для измерения натяжения гибких длинномерных изделий (канатов), содержащее корпус, на котором на осях установлены опорные ролики, толкатель, взаимодействующий одним концом через силовоспринимающий ролик с изделием, а другим концом - с нажимным устройством и с индикатором перемещения ролика.

В указанном известном способе величина натяжения определяется по тарировочным диаграммам. Для определенных заданных прогибов величина поперечного усилия (нажатия) на изделие отсчитывается по шкале манометра, связанного с месдозой.

Тарирование необходимо производить, предварительно нагружая силовоспринимающий ролик и фиксируя соответственно этим нагрузкам, величины прогибов и величины натяжения. При больших значениях измеряемых натяжений существует определенная сложность в построении тарировочных диаграмм, т.к. необходимо предварительно создать большие величины поперечных нагрузок, что на практике реализовать трудно.

Недостатком известного способа является также и то, что он предназначен для измерения постоянных во времени натяжений и неприемлем для измерения движущегося гибкого изделия (например, проволоки при волочении), когда измеряемая величина натяжения колеблется случайным образом в зависимости от условий движения проволоки и изменения технологических параметров, и трудно снять показания со шкалы силоизмерительного прибора. Не учитывается также и влияние момента сопротивления изделия изгибу, возникающему при отклонении изделия от оси натяжения.

Что касается устройства для реализации этого известного способа, то оно сложно в изготовлении из-за применения месдозы и не позволяет безопасно измерить натяжение движущихся изделий, т.к. не предусмотрена возможность фиксации корпуса устройства. Расположение корпуса устройства не на одной оси с самим устройством приводит к тому, что корпус при нагружении испытывает изгиб, что влияет на точность измерения натяжения.

Задачей изобретения в части способа является упрощение и повышение точности измерения натяжения движущегося изделия, в частности, за счет исключения построения тарировочных диаграмм и учета заданной погрешности измерения.

Задачей изобретения в части устройства является повышение точности и безопасности измерения натяжения движущегося изделия, что достигается в результате демпфирования силовоспринимающего ролика и за счет жесткой фиксации корпуса устройства.

Задача в части способа решается тем, что в способе измерения натяжения гибких длинномерных изделий, включающем опирание участка гибкого изделия в двух крайних опорных точках, нажатие на среднюю точку участка поперечным усилием, измерение результирующего прогиба и определение искомой величины натяжения, согласно изобретению, измерение натяжения ведут по величине прогиба, определяемой следующим неравенством:

а искомую величину натяжения определяют по выражению

где h - прогиб (величина отклонения) изделия от исходной оси протягивания;

L - база измерения, расстояние между крайними опорными точками;

D - диаметр изделия;

N - поперечное усилие нажатия на среднюю точку участка;

ε - заданная погрешность измерения;

Р - искомое усилие натяжения изделия.

Задача в части устройства решается тем, что в устройстве для измерения натяжения гибких длинномерных изделий, содержащем корпус, на котором на осях установлены опорные ролики, и толкатель, взаимодействующий одним концом через силовоспринимающий ролик с изделием, а другим концом - с нажимным устройством и с индикатором перемещения ролика, согласно изобретению, толкатель соединен с жестко зафиксированным корпусом через гидравлический амортизатор.

Кроме того, нажимное устройство может быть выполнено в виде гибкой грузовой подвески с направляющим блоком и снабжено набором грузов.

Кроме того, нажимное устройство может быть выполнено в виде пружинного динамометра.

Кроме того, нажимное устройство может быть выполнено в виде гидравлического домкрата.

Кроме того, корпус устройства установлен соосно с толкателем.

Кроме того, указанные средства жесткой фиксации корпуса могут быть снабжены проушинами на корпусе и крепежными средствами.

Таким образом, изобретения, за счет исключения использования тарировочных диаграмм, упрощают и делают более точным определение натяжения, позволяют определить величину натяжения в движущихся гибких изделиях и делают безопасным процесс измерений за счет жесткой фиксации корпуса устройства.

Далее способ и устройство для измерения натяжения гибких длинномерных изделий иллюстрируются чертежами, где

на фиг.1 показана схема сил и моментов, возникающих при измерении натяжения;

на фиг.2 показана схема определения момента сопротивления изгибу;

на фиг.3 показан способ измерения натяжения и конструкция устройства для его осуществления.

Условные обозначения на иллюстрациях:

h - прогиб (величина отклонения) изделия от исходной оси протягивания;

L - база измерения, расстояние между крайними опорными точками;

D - диаметр изделия;

N - поперечное усилие нажатия на среднюю точку участка;

Р - искомое усилие натяжения изделия;

М_изг - момент сопротивления изгибу;

σ_0,2 - предел текучести материала изделия.

Устройство для измерения натяжения гибких длинномерных изделий (в данном случае, движущейся в волочильном стане проволоки) включает в себя (см. фиг.3): опорные ролики 1, жестко, посредством осей установленные в корпусе 2, имеющем проушины 3 для его жесткой фиксации. (Крепежные средства фиксации корпуса на чертеже не показаны.) Силовоспринимающий ролик 4, расположенный на равных расстояниях от опорных роликов 1, смонтирован на толкателе 5 и через гидравлический амортизатор 6 и ось 7 связан с корпусом 2. Нажимное устройство 8 выполнено в виде грузовой площадки, на которой размещены грузы 9, создающие через систему гибких связей 10 и толкатель 5 усилие нажима N на изделие 11. На корпусе 2 закреплен индикатор 12, регистрирующий величину перемещения толкателя 5 (или прогиб изделия h).

Альтернативно, нажимное устройство 8 может быть выполнено в виде пружинного динамометра или в виде гидравлического домкрата.

Задав определенную максимально допустимую погрешность измерения ε, определяем по неравенству (1) максимально допустимую величину прогиба изделия h при нагружении его поперечным усилием N, при которой результат не выйдет за пределы заданной погрешности. Далее по выражению (2) определяем искомое натяжение Р изделия 11.

Покажем, что при определенных соотношениях диаметра изделия (D), величины прогиба (h) и длины базы измерений (L), влияние изгибающих моментов невелико и меньше задаваемой погрешности (ε).

На величину изгибающих моментов оказывает влияние диаметр измеряемого изделия (D), величина задаваемых прогибов (h), база (L), материал изделия (в частности, предел текучести σ_0,2) и диаметр опорных роликов. Схема сил, возникающих при измерении устройством, показана на фиг.1.

В местах приложения двух опорных роликов возникает момент сопротивления изгибу изделия

где

- проекция усилия Р на ось протяжки;

N₀ - усилие, учитывающее силу нагрузки N и влияние момента сопротивления изгибу.

Из (3) следует

Единицей можно пренебречь, т.к. она не оказывает влияния на результат, потому что является малой величиной по сравнению с другим членом подкоренного выражения. Следовательно

Величина N₀ определиться из соотношения

или

где М_изг - изгибающий момент, возникающий в изделии при отклонении его от оси протяжки;

L/2 - плечо силы, создающей данный изгибающий момент.

В результате изгибающего момента в изделии возникают упругие и пластические деформации. Предположим, что на поверхности изделия деформации достигают величины предела текучести σ_0,2. Момент М_изг, возникающий в изделии при перегибах на опорных роликах, определяется согласно фиг.2 по формуле

где

Тогда формула (8) принимает вид

где R - радиус поперечного сечения изделия;

у - текущая координата зоны деформации, возникающей в изделии, и одновременно - плечо силы, создающей момент, относительно центра поперечного сечения изделия;

2b - текущая (по у) ширина зоны деформации.

Двойка перед интегралом показывает, что изгибающий момент (М_изг) учитывается от двух опорных роликов.

Решая интеграл (10) и учитывая, что R=D/2, получаем формулу для определения момента, возникающего в изделии от изгиба

где D - диаметр изделия.

С учетом формул (7) и (11) выражение для определения величины натяжения примет вид

или

Таким образом, формула (13) отличается от формулы (2) на величину второго члена. При определенных соотношениях диаметра изделия (D), базы (L), прогиба (h) второй член формулы (13) не оказывает какого-либо влияния на результат измерения величины натяжения.

Определим эти соотношения во взаимосвязи с погрешностью измерений (ε)

или

Величины усилий бокового нажима должны соответствовать тем усилиям, которые можно создать за счет доступных средств - грузов пружин. Эти усилия должны быть в несколько десятков раз меньшими, чем усилие натяжения. Например, если в общем случае усилие натяжения максимально

и измеряется, например, тоннами, то усилие нажима должно измеряться десятками килограмм. Для удобства работы с грузами величину боковой нагрузки можно принять как 1/30 от максимального усилия натяжения, тогда

Подставляя (17) в (15) получим неравенство

или

На величину момента сопротивления изгибу влияет так же и величина прогиба (h), которую желательно принимать тем меньше, чем больше диаметр изделия (D). Поэтому в формуле (19) правильнее учитывать инвариант - произведение диаметра и прогиба, т.е.

Учитывая также, что D и h являются величинами одного порядка выражение (19) можно записать в виде

откуда

Неравенство (22) увязывает вместе диаметр изделия (D), прогиб (h) и базу измерения (L) и показывает то, что при заданной погрешности измерения (ε), прогиб должен быть таким, чтобы выполнялось это неравенство. В этом случае формула (2) при расчетах выражает величину натяжения с заданной погрешностью (ε), и также при этом второй член в формуле (13) не оказывает влияние, большее, чем заданная погрешность измерения (ε).

По неравенству (22) также можно судить о влиянии на величину изгибающего момента, диаметра изделия (D) и базы (L). А именно, сопротивление изгибу возрастает с ростом диаметра измеряемого изделия, с увеличением величины отклонения изделия от оси.

Устройство для измерения натяжения гибких длинномерных изделий (фиг.2) работает следующим образом.

Устанавливают устройство на неподвижное изделие 11 таким образом, что опорные ролики 1 упираются в изделие в крайних опорных точках, а подвижный, установленный на толкателе 5 силовоспринимающий ролик 4 заводят за изделие 11 с другой стороны, противоположной той, на которой расположены ролики 1. Все ролики касаются изделия 11 по одной оси (оси протягивания). Выставляют (настраивают) индикатор 12 перемещения толкателя 5 на максимальное значение показаний и закрепляют его. Фиксируют корпус 2 устройства с помощью проушин 3 и других средств, не показанных на чертеже, к неподвижным частям технологического оборудования.

Включают рабочее оборудование, изделие начинает движение вдоль оси. Движение устройства вместе с изделием исключено, т.к. корпус его жестко зафиксирован. Далее нагружают нажимное устройство 8, например, грузами 9. Нагрузка с помощью системы гибких связей 10 передается на толкатель 5, силовоспринимающий ролик 1, который при своем перемещении отклоняет изделие 11 от оси движения. Величина отклонения (прогиба h) изделия контролируется индикатором 12 (прогиб определяется как разность исходного, до изменения, и текущего, при измерении, показаний индикатора), она не должна превышать величины h, определяемой по формуле (1), при заданной величине предельно допустимой погрешности измерения. Возможные колебания усилия и прогиба, возникающие случайным образом, в зависимости от условий движения, демпфируются (гасятся) гидравлическим амортизатором 6. Искомое усилие натяжения Р определяется, как уже сказано, по формуле (2).

Изобретения позволяют определить силу натяжения изделия экспериментальным путем, но без предварительного построения тарировочных диаграмм. Т.е. последний этап определения искомого усилия является чисто аналитическим. Они позволяют получить значение искомого усилия непосредственно в процессе движения и с заранее заданной точностью, что важно по требованиям технологии. В частности, это имеет большое значение при исследовании новых устройств для поточной технологии волочения, при измерении данным способом усилий волочения проволоки и усилия противонатяжения заготовки-катанки. Изобретения позволяют также управлять самим процессом волочения.

Использование: изобретения относятся к области измерительной техники, в частности, к измерению натяжения движущейся проволоки в процессе ее волочения. Сущность: способ измерения натяжения предусматривает опирание участка проволоки в двух крайних опорных точках, натяжение на среднюю точку участка поперечным усилием, измерение результирующего прогиба и аналитическое, по приведенной зависимости, определение искомой величины натяжения, при величине прогиба, ограниченной заранее заданной максимально допустимой погрешностью измерения. При этом величины допустимого прогиба и допустимой погрешности связаны определенной зависимостью. Устройство для измерения натяжения проволоки содержит корпус, на котором на осях установлены опорные ролики, и толкатель, взаимодействующий одним концом через силовоспринимающий ролик с изделием, а другим концом - с нажимным устройством и с индикатором перемещения ролика. Новым в устройстве является то, что толкатель соединен с жестко зафиксированным корпусом через гидравлический амортизатор. Способ и устройство позволяют повысить точность и надежность измерения натяжения на движущемся изделии (проволоке). 2 с. и 5 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ измерения натяжения гибких длинномерных изделий, включающий опирание участка гибкого изделия в двух крайних опорных точках, нажатие на среднюю точку участка поперечным усилием, измерение результирующего прогиба и определение искомой величины натяжения, отличающийся тем, что измерение натяжения ведут при величине прогиба, определяемой следующим неравенством:

а искомую величину натяжения определяют по выражению

где h - прогиб (величина отклонения) изделия от исходной оси протягивания;

L - база измерения, расстояние между крайними опорными точками;

D - диаметр изделия;

N - поперечное усилие нажатия на среднюю точку участка;

ε - заданная погрешность измерения;

Р - искомое усилие натяжения изделия.