ТРОСОВЫЙ ДИНАМОМЕТР Российский патент 2004 года по МПК G01L1/04 

Изобретение относится к экспериментальной гидродинамике корабля и морских инженерных сооружений и касается измерительного оборудования для проведения испытаний моделей в опытовом бассейне.

При проведении испытаний в опытовом бассейне моделей судов, буровых платформ и других морских инженерных сооружений возникает необходимость в измерениях сил натяжения в якорных цепях, швартовых канатах, в якорных связях, удерживающих буровую платформу на основании, и т.д. Для этих измерений используются динамометры растяжения, чаще называемые тросовыми динамометрами. Помимо общепринятых требований к динамометрам, последние должны быть, кроме того, герметичными и обладать малой массой. Требование герметичности обусловлено тем, что в большинстве случаев эти динамометры должны работать в воде. Что касается второго требования, малой массы, то оно вызвано тем, что при проведении указанных испытаний моделей выполняются условия подобия не только самих моделей, режимов их движения, внешних условий (волнения, ледообразования и его дрейфа), но и геометрических характеристик тросов и их начального натяжения. Величина начального натяжения тросов лежит в пределах от единиц ньютонов до 200 Н, а измеряемые усилия на волнении или при подвижке льдов не превышают 100 Н. Очевидно, что при массе динамометра более 0,1 кг трос под тяжестью динамометра будет провисать, а результаты измерений будут недостоверными.

Известен динамометр растяжения типа U28 фирмы Hottinger Baldwin Messtechnik, Германия, с пределом измерения 500 Н, выполненный в герметичном исполнении (см. Каталог фирмы HBM). Однако его масса вместе с проушинами для крепления троса составляет 1,1 кг. Другой динамометр этой фирмы типа S2 с пределом измерения 200 Н имеет массу собственного динамометра 0,4 кг, а с проушинами – 0,7 кг. Динамометры растяжения U28 и S2 фирмы НВМ не могут быть использованы для измерений сил натяжения в тросах при испытаниях моделей судов и буровых платформ в опытовом бассейне из-за их большой массы.

Известен динамометр, содержащий кольцевой упругий элемент с тензорезисторными преобразователями, заключенный между двумя жесткими участками (см. Упругие элементы датчиков механических величин. Учебное пособие. Пензенский политехнический институт. Пенза, 1988 г., также Г.П. Нуберт, Измерительные преобразователи неэлектрических величин, Энергия, 1970 г., стр.133), принятый нами за прототип.

Недостатком известного динамометра является то, что он выполнен в негерметичном исполнении.

Заявляемое изобретение решает задачу обеспечения герметичности динамометра и его малой массы.

Для этого в динамометре, содержащем кольцевой упругий элемент с тензорезисторными преобразователями, заключенный между двумя жесткими участками, и кабель, жесткие участки выполнены в виде фланцев с цилиндрическими проточками, в которых установлены с натягом уплотнительные резиновые кольца, имеющие шарнирно закрепленные с ними скобы для крепления троса, причем упругий элемент с тензорезисторными преобразователями размещен внутри тонкостенной металлической трубки и соединен с ней по уплотнительным резиновым кольцам с натягом, при этом один из фланцев оборудован устройством герметизации кабель.

Кольцевой упругий элемент способен обеспечить многократное увеличение деформации в местах расположения тензорезисторов при сравнительно небольших продольных перемещениях (до 50-100 мкм) жестких участков (фланцев) относительно друг друга. Благодаря этому практически исключается влияние таких вредных эффектов, как трение и гистерезис при деформации кольцевого упругого элемента под действием измеряемой силы.

Размещение упругого элемента с тензорезисторами внутри тонкостенной металлической трубки, которая соединена с упругим элементом по уплотнительным резиновым кольцам с натягом, установленным также с натягом в цилиндрических проточках фланцев, расположенных по обеим сторонам упругого элемента, обеспечивает герметичность упругого элемента с тензорезисторами и электромонтажной схемы со стороны металлической трубки.

Герметичность динамометра со стороны кабеля обеспечивается известным способом: распоркой с помощью резьбовой гайки резинового уплотнения, установленного на кабель между фланцем динамометра и кабелем.

Шарнирно закрепленные на фланцах по обоим концам динамометра скобы для крепления троса обеспечивают ориентирование продольной оси динамометра по направлению троса при его натяжении.

Сущность заявляемого изобретения поясняется чертежом, где показан динамометр с рассеченной по продольной оси металлической трубкой.

Динамометр состоит из кольцевого упругого элемента 1, тензорезисторных преобразователей 2, фланцев 3 и 4 с цилиндрическими проточками 5, 6, в которых установлены с натягом уплотнительные резиновые кольца 7, 8, гайки 9, резинового уплотнения в виде кольца 10, металлической шайбы 11, кабеля 12, монтажной платы 13, шарнирно установленных скоб 14, 15 и тонкостенной металлической трубки 16, соединенной с фланцами 3, 4 через уплотнительные резиновые кольца с натягом 7, 8.

Динамометр через скобы 14, 15 соединяется с тросом (не показан).

Динамометр работает следующим образом. Возникающая при натяжении троса сила передается на фланцы динамометра 3, 4 и деформирует кольцевой упругий элемент 1. Деформации кольцевого упругого элемента преобразуются в электрический сигнал с помощью тензорезисторов 2, который по кабелю 12 передается на измерительный комплекс.

Металлическая трубка 16 с уплотнительными резиновыми кольцами 7 и 8 обеспечивают герметичность динамометра со стороны трубки 16, а резиновое уплотнительное кольцо 10, шайба 11 и гайка 9 обеспечивают герметичность динамометра со стороны кабеля. Для обеспечения надежной герметизации динамометра в воде (до Р=200 кПа) и исключения нестабильности его работы, обусловленной деформацией резиновых колец под действием измеряемой силы, натяг Δ резиновых колец относительно металлической трубки должен выбираться в пределах Δ=0,8-1,2 мм, при этом Δ=D_ТР–(D_Ц.ПР+2d₁), где D_ТР – внутренний диаметр трубки в месте расположения уплотнительного кольца; D_Ц.ПР – диаметр цилиндрической проточки под уплотнительным кольцом; d₁ – диаметр сечения уплотнительного кольца.

Величина натяга уплотнительных колец по цилиндрической проточке фланцев динамометра выбирается стандартной в соответствии с ГОСТ 9833-73.

Для уменьшения массы динамометра упругий элемент с фланцами изготовлен из титанового сплава, а тонкостенная металлическая трубка из алюминиевого сплава (толщина стенки 1,2 мм). Масса динамометра на воздухе 0,1 кг, а его вес при погружении в воду уменьшается до 0,2 Н.

Были изготовлены и испытаны 6 динамометров предложенной конструкции с характеристиками: Р_N=300 Н; m=0,1 кг; натяг между трубкой 16 и уплотнительным кольцом 8 Δ₁=1,2 мм, натяг между трубкой 16 и уплотнительным кольцом 7 Δ₂=1 мм.

При калибровке динамометров со снятыми металлическими трубками 16 были получены следующие характеристики: чувствительность от 9,83 до 9,98 мВ/Н; относительная нелинейность градуировочной характеристики (систематическая составляющая погрешности) от 0,05 до 0,25%; случайная составляющая погрешности динамометра (CKО) – от 0,05 до 0,1%.

При калибровке динамометров с установленной на его корпус металлической трубкой 16 характеристики незначительно изменились. Чувствительность динамометров упала на 0,6-0,7% и составила 9,76+9,91 мВ/Н. Относительная нелинейность практически не изменилась. Случайная составляющая погрешности (разброс показаний на i-той ступени при нагрузке и разгрузке при многократном повторении циклов нагружения) уменьшилась до 0,02-0,08%. Незначительное снижение случайной составляющей погрешности динамометров в сборе с металлическим кожухом (трубкой) можно объяснить их термостатированием, изоляцией тензорезисторных преобразователей от движения воздушных потоков в окружающем динамометр пространстве.

Незначительное снижение чувствительности динамометров в сборе с металлической трубкой на 0,6-0,7% объясняется некоторым увеличением общей жесткости динамометра за счет уплотнительного кольца. Отмеченное незначительное снижение чувствительности динамометра в сборе по сравнению с чувствительностью динамометра со снятой металлической трубкой не ухудшает метрологических характеристик динамометра, так как обработка результатов испытаний ведется с учетом только чувствительности динамометра в сборе с металлической трубкой.

Таким образом, проведенные испытания партии динамометров из 6-ти штук предлагаемой конструкции показали, что предлагаемое устройство для герметизации динамометра в воде в виде тонкостенной металлической трубки, установленной на фланцах динамометра через уплотнительные резиновые кольца, обеспечивает надежную герметизацию, не ухудшает измерительные характеристики динамометра, значительно снижает вес динамометра при погружении его в воду.

Изобретение относится к экспериментальной гидродинамике корабля и морских инженерных сооружений и касается измерительного оборудования для проведения испытаний моделей в опытовом бассейне. Тросовый динамометр содержит кольцевой упругий элемент с тензорезисторными преобразователями, заключенный между двумя жесткими участками, и кабель. Жесткие участки динамометра выполнены в виде фланцев с цилиндрическими проточками, в которых установлены с натягом уплотнительные резиновые кольца, фланцы шарнирно закреплены со скобами для крепления троса, причем один из них оборудован устройством герметизации кабеля. Упругий элемент динамометра с тензорезисторными преобразователями выполнен из титанового сплава и размещен внутри тонкостенной металлической трубки из алюминиевого сплава, будучи при этом соединенным с ней по уплотнительным резиновым кольцам с натягом. 1 ил.

Тросовый динамометр, содержащий кольцевой упругий элемент с тензорезисторными преобразователями, заключенный между двумя жесткими участками, и кабель, отличающийся тем, что жесткие участки выполнены в виде фланцев с цилиндрическими проточками, в которых установлены с натягом уплотнительные резиновые кольца, фланцы шарнирно закреплены со скобами для крепления троса, при этом один из них оборудован устройством герметизации кабеля, а упругий элемент с тензорезисторными преобразователями выполнен из титанового сплава и размещен внутри тонкостенной металлической трубки из алюминиевого сплава, будучи соединен с ней по уплотнительным резиновым кольцам с натягом.