УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЗАДАННОГО УСИЛИЯ НАТЯЖЕНИЯ РЕГУЛИРУЕМОЙ МЕХАНИЧЕСКОЙ ТЯГИ Российский патент 2013 года по МПК G01L1/00 

Изобретение относится к области измерительной техники, а именно к системам измерения усилий в стержнях, тягах и других протяженных элементах конструкций, нагруженных осевой силой, и может быть использовано в любой отрасли народного хозяйства, где они применяются, и, в частности, в ракетной технике.

Широко известен способ обеспечения заданного усилия затяжки резьбовых изделий (болтов) с помощью фиксированного момента на головке болта или на гайке (см. Г.Б.Иосилевич, Ю.В.Шарловский «Затяжка и стопорение резьбовых соединений». Издательство «Машиностроение», Москва, 1971 г., глава 1, стр.17, формула 23). В регулируемых тягах для обеспечения заданного усилия натяжения наиболее часто используются стяжные втулки (талрепы), включающие в себя концы с правой и левой резьбой и элемент для вращения талрепа. В этом случае указанный способ натяжения тяг является самым простым и дешевым. Но, как видно из анализа зависимости между усилием затяжки и крутящим моментом, этим способом фактически «измеряется» момент трения при затяжке. Крутящий момент (момент затяжки) при этом зависит от величины сил трения в резьбовых парах, которые, в свою очередь, очень сильно зависят от материалов резьбовых пар, состояния контактных поверхностей и других трудно учитываемых факторов. Кроме того, величина момента затяжки зависит от усилия затяжки (резьбовые пары быстрее деформируются), количества затяжек (момент второй и каждой последующей затяжки на одно и то же усилие затяжки уменьшается - связано, по всей вероятности, с выглаживанием контактных поверхностей), моменты затяжки при нагружениии и при снятии нагрузки не совпадают по величине. В силу вышеизложенного можно с приемлемой погрешностью оценить усилие затяжки высоконагруженных (максимально деформированных при нагружении) конструкций, но для мало- и средненагруженных конструкций, работающих в зоне упругой деформации материалов, этот способ малопригоден из-за значительного влияния фактического состояния в момент затяжки материалов резьбовых пар и контактных поверхностей и, как следствие, большого отклонения фактического значения усилия затяжки от измеренного - фактически определяется достаточно широкий диапазон значений усилий, одно из которых будет действительным.

Для гибких (нежестких) тяг можно применять способ контроля усилия натяжения по величине прогиба под действием приложенного к тяге перпендикулярного усилия (см. С.Рузга. «Электрические тензометры сопротивления». Издательство «Мир», Москва, 1964 г., стр.325, 326, ст.«Силомер для измерения усилий в тросах»). Но, как указывается там же, для достоверности результатов даже для достаточно гибких реальных тросов надо вводить предварительно определенные эмпирические поправки. Для тяг другого вида, например для лент прямоугольного сечения, эти зависимости становятся и вовсе непригодными в силу повышенной жесткости. Даже по полученным эмпирическим путем данным при предварительной тарировке этих тяг нельзя утверждать о достоверности результатов измерений по той причине, что результаты измерений будут очень сильно зависеть от состояния тяги на измеряемом участке (прямолинейности, местной покоробленности, наличия внутренних напряжений в материале тяги и т.д.). Для жестких тяг этот способ и вовсе неприменим.

Наиболее достоверным и точным способом контроля усилия при натяжении является способ, основанный на применении электрических тензодатчиков (тензорезисторов) (см. Г.Б.Иосилевич, Ю.В.Шарловский. «Затяжка и стопорение резьбовых соединений». Издательство «Машиностроение», Москва, 1971 г., стр.36-38, рис.36), закрепленных (наклеенных) на элементе, входящем в состав тяги. Этим способом непосредственно измеряется деформация нагружаемого элемента, которая зависит только от приложенного усилия, и это техническое решение принято авторами в качестве ближайшего аналога.

В качестве элемента, на котором закрепляется тензодатчик, может быть использован любой элемент, входящий в состав тяги, - часть самой тяги, стяжная втулка (талреп), резьбовые элементы и т.д. Указанный способ при правильно подобранном сочетании геометрических характеристик измеряемых элементов тяги и типоразмера тензодатчиков дает точное значение нагружающего усилия с минимальной погрешностью. Единственным недостатком этого способа является его трудоемкость и относительная дороговизна. Связано это с тем, что каждый тензодатчик необходимо предварительно закрепить на измеряемом элементе и провести его автономную тарировку, а использовать тензодатчик повторно, сняв его с натянутой тяги и установив на другую, невозможно (велика вероятность повреждения тензодатчика при его снятии). Кроме того, как упоминалось выше, придется либо какой-то элемент тяги подстраивать под определенный типоразмер тензодатчика, либо специально подбирать типоразмер тензодатчика, либо делать и то, и другое одновременно. Таким образом, этот способ может быть признан рациональным при малом объеме производства тяг и для изготовления уникальных конструкций. Однако существует ряд серийно выпускаемых изделий, каждое из которых содержит несколько регулируемых тяг, например крылатые ракеты с рулями в каждой из четырех плоскостей, для управления которыми требуются сдвоенные тяги (всего восемь на изделие). В этом случае резко увеличивается трудоемкость работ, растет стоимость изделия.

С целью исключения указанных недостатков тензодатчик (тензодатчики) закрепляется на съемном технологическом элементе, который в свою очередь устанавливается вдоль тяги и жестко в двух точках закрепляется на ней быстросъемными зажимами с усилиями, предотвращающими в заданном диапазоне измерения скольжение прижатых концов съемного элемента относительно тяги, при этом с целью уменьшения погрешности измерения площадь поперечного сечения съемного элемента подбирается так, чтобы в заданном диапазоне измерений использовать полностью весь рабочий диапазон используемых тензодатчиков. В этом случае достаточно изготовить два технологических блока с тензодатчиками, один раз провести их тарировку и использовать их для натяжения неограниченного количества тяг с высокой точностью и достоверностью.

Предложенное техническое решение поясняется чертежами на примере натяжения тяг, используемых для управления рулями крылатой ракеты. На фиг.1 представлена конструктивная схема управления рулем крылатой ракеты с помощью тяг приводом, удаленным от руля, и местоположение на тяге съемного блока с тензодатчиками, на фиг.2 и 3 приведен вариант исполнения съемного элемента с тензодатчиками и зажимного устройства.

Существуют крылатые ракеты, где в силу различных обстоятельств рулевые агрегаты (приводы) отделены от рулей ракеты и расположены на значительном расстоянии от них. Схематично эти конструкции выглядят следующим образом: закрепленный на корпусе ракеты 1 привод 2 шарнирно соединен с установленным на оси вращения 3 двуплечим рычагом 4, который в свою очередь с помощью двух тяг 5 связан с установленным на оси вращения 6 двуплечим рычагом 7, выполненным заодно с рулем 8. Чаще всего по причине минимизации массы и минимального конструктивного пространства тяги 5 выполняются нежесткими, в силу чего могут работать только на растяжение. Для натяжения тяги снабжены стяжными втулками (талрепами) 9. При этом тяги 5 должны быть натянуты так, чтобы при передаче крутящего рабочего момента на поворот рулей ни одна из тяг не провисала (в противном случае усилие на одной тяге в момент провиса другой скачком возрастает вдвое, что может привести к разрыву тяги). Одним словом, требования к усилиям натяжения тяг достаточно жесткие, с одной стороны, они не должны быть меньше минимальных (из условий работы), с другой, не должны быть слишком большие, чтобы не перетяжелять конструкцию ракеты.

Как указывалось выше, наиболее достоверным и точным является способ контроля усилия натяжения с помощью тензодатчиков, а в случае большого количества тяг - с помощью съемного технологического устройства, оснащенного тензодатчиками. Это устройство включает в себя съемный технологический элемент 10, по величине деформации которого определяется усилие натяжения в тяге 5, закрепленные на элементе 10 тензодатчики 11, автономное устройство декодирования 12 сигналов с тензодатчиков 11 и два зажима для крепления элемента 10 на тяге 5. Простейший зажим состоит из опоры 13, предохранительной прокладки 14 и зажимного клина 15. Измеряемая тяга 5 и съемный элемент 10 укладываются внутрь опоры 13 и поджимаются друг к другу через прокладку 14 клином 15. Усилие поджатия тяги и съемного элемента регулируется положением клина относительно боковых щек опоры.

Устройство работает следующим образом.

На полностью собранную тягу устанавливают предварительно оттарированный на полном аналоге натягиваемой тяги (технологической тяге) съемный элемент 10 с закрепленными на нем тензодатчиками 11 и предварительно закрепляют его с помощью зажимов. Вращая талреп 9, поднатягивают тягу до момента появления сигналов стензодатчиков 11 (выбирают провис тяги), после чего полностью ослабляют зажимы и вновь закрепляют съемный элемент уже с усилием, предотвращающим в заданном диапазоне измерения проскальзывание поджатых друг к другу тяги 5 и съемного элемента 10 (определяется эмпирически при первых измерениях или используются более сложные зажимы). С этого момента съемный элемент 10 и тяга 5 работают на растяжение совместно как единый элемент тяги с увеличенной за счет съемного элемента площадью в поперечной сечении. Сила натяжения на этом участке будет такая же, как на любом другом участке тяги, но за счет увеличенной площади поперечного сечения напряжение будет меньше, а следовательно, и степень деформации также будет меньше. Кроме того, усилия в съемном элементе и работающей вместе с ним части тяги в силу одинаковой деформации будут пропорциональны их площадям в поперечном сечении. Таким образом, изменяя площадь поперечного сечения съемного элемента, не меняя при этом геометрических размеров самой тяги, можно изменить степень деформации и измеряемое усилие и тем самым максимально полно совместить диапазон измерений с рабочим диапазоном используемых тензодатчиков (тензорезисторов), что автоматически повышает точность измерения. После натяжения одной тяги тензоблок с нее снимается и используется для натяжения следующей тяги.

Изобретение относится к области измерительной техники, а именно к системам измерения усилий в стержнях, тягах и других протяженных элементах конструкций, нагруженных осевой силой, и может быть использовано в любой отрасли народного хозяйства, где они применяются, и, в частности, в ракетной технике. Устройство состоит из тензодатчиков и автономного устройства декодирования сигналов с тензодатчиков. Тензодатчики закреплены на съемном технологическом элементе с площадью поперечного сечения, обеспечивающей наиболее полное использование функциональных возможностей тензодатчиков. Съемный элемент закреплен на тяге в двух разнесенных по ее длине точках быстросъемными зажимами, обеспечивающими усилия поджатия, предотвращающие в заданном диапазоне измерения усилий натяжения скольжение прижатых концов съемного элемента относительно тяги. Техническим результатом является повышение точности измерений. 3 ил.

Устройство для обеспечения заданного усилия натяжения регулируемой механической тяги, состоящее из тензодатчиков и автономного устройства декодирования сигналов с тензодатчиков, отличающееся тем, что тензодатчики закреплены на съемном технологическом элементе с площадью поперечного сечения, обеспечивающей наиболее полное использование функциональных возможностей тензодатчиков, при этом съемный элемент закреплен на тяге в двух разнесенных по ее длине точках быстросъемными зажимами, обеспечивающими усилия поджатия, предотвращающие в заданном диапазоне измерения усилий натяжения скольжение прижатых концов съемного элемента относительно тяги.