СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ НАТЯЖЕНИЯ ШНУРА Российский патент 2014 года по МПК G01L1/08 G01L5/04 

Изобретение относится к измерительной технике и может использоваться для измерения натяжений элементов вантовых конструкций, таких как, например, текстильные элементы крупногабаритных раскрываемых рефлекторов, выполненные из арамидных волокон, натяжений торосов подвесных мостов, подвесные крыши и шатры и т.п.

В настоящее время разрабатываются и создаются космические спутниковые антенны с диаметром отражающей поверхности, достигающим нескольких десятков метров. Настройка и корректировка отражающей поверхности спутниковой антенны выполняется с помощью текстильных шнуров. И чем точнее определяется натяжение шнура, тем точнее можно настроить (определить) форму отражающей поверхности. В связи с этим важными являются вопросы измерения натяжения вантовых элементов. Предлагаемый способ измерения натяжения вантовых элементов, основанный на их локальном деформировании, является простым и достаточно точным. Также данный метод может быть использован для измерения натяжения элементов других конструкций, например, в архитектуре, легкой и текстильной промышленности.

Известен способ измерения натяжения нити в процессе вязания на трикотажной машине [1]. Согласно способу предварительно определяют разрывную нагрузку нити на разрывной машине, затем нить сматывают с паковки, перемещают по элементам нитепроводящей системы, создают определенное технологическое натяжение нити, заправляют в регулятор натяжения нити, датчик натяжения нити и вводят во взаимодействие с петлеобразующими органами трикотажных машин, осуществляя процесс вязания трикотажного полотна. В процессе вязания регулятором увеличивают натяжение нити, регистрируют изменение натяжения нити и фиксируют значение входного натяжения, при котором происходит обрыв нити в процессе вязания. Напряженное состояние нити оценивают по отношению разрывной нагрузки к величине входного натяжения, при котором происходит обрыв нити.

Известен способ измерения продольной силы натяжения в растянутых эластичных структурах [2], использующийся в экспериментальной фармакологии, нормальной и патофизиологии при изучении механических свойств сосудистой стенки, а также связанных с ними нарушений гемодинамики при различных сосудистых заболеваниях. Сущность: способ определения продольной силы натяжения в растянутых эластичных структурах посредством приложения поперечной силы, включающий измерение расстояния от точки приложения силы до опоры, приложение и измерение поперечной силы и вызываемого ею прогиба и определение по значениям измеренных величин силы натяжения, причем поперечную силу прикладывают многократно и последовательно или по меньшей мере дважды к середине участка анализируемой структуры, концы которой жестко закрепляют с исключением возможного смещения относительно естественного закрепления, и измеряют величину прогиба структуры от первоначального положения, а значение силы натяжения определяют по формуле, приведенной в описании.

Наиболее близким к предлагаемому способу по технической реализации является способ измерения натяжения гибких длинномерных изделий [3], включающий опирание участка гибкого изделия в двух крайних опорных точках, нажатие на среднюю точку поперечным усилием, измерение результирующего прогиба и определение искомой величины натяжения. Измерение натяжения ведут при величине прогиба, определяемой следующим неравенством: $$h\le \frac{{\epsilon }^2*L^2}{14*D}$$ .

А искомую величину натяжения определяют из выражения $$P=\frac{N*L}{4*h}$$ ,

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;

Р - искомое усилие натяжения проволоки.

Недостатком данного способа является сложность методики, связанная с громоздкостью выражения для определения величины натяжения, а также с необходимостью проводить несколько измерений для определения постоянной величины натяжения.

Техническим результатом изобретения является разработка простого универсального способа определения натяжения шнура, основанного на его локальном деформировании.

Указанный технический результат достигается тем, что предварительно натянутый шнур защемляют между двумя зажимами, а в центр образца прикладывают поперечную нагрузку, и измеряют прогиб. Силу продольного натяжения вычисляют по формуле:

$$F=\frac{LP}{4H}-ES(\sqrt{\frac{H}{l_0}+1}-1)$$ ;

где F - величина натяжения шнура, Н/м;

Р - величина поперечной нагрузки, H;

L - длина защемленной части шнура, м;

H - величина максимального прогиба шнура, м;

S - площадь поперечного сечения шнура, м²;

Е - модуль упругости шнура, Па;

L=2*l₀ - длина части шнура, расположенной между зажимами, м.

Приведенная формула для вычисления натяжения шнура является решением следующей задачи: предварительно натянутый шнур защемлен между двумя захватами. В центр шнура, расположенного между зажимами, приложена поперечная нагрузка (Фиг.1).

N=F+T

Уравнение равновесия:

∑Y:-P+2*N*sinα=0;

$$N=\frac{P}{2*\sin \alpha }$$ ;

При малых углах α можно записать:

α=sinα=tgα;

$$\sin \alpha =tg\alpha =\frac{H}{l_0}=\frac{2*H}{L}$$ .

Подставим получившееся в уравнение равновесия:

$$N=\frac{P*L}{4*H}=F+T$$ .

Тогда удлинение шнура равно:

$$\Delta l+l_0=\frac{T*l_0}{E*S}$$ ;

$$l_0+\Delta l=\sqrt{H^{{}_2}+l_0^2}$$ ;

$$l_0+\frac{l_0*T}{E*S}=\sqrt{H^{{}_2}+l_0^2}$$ ;

$$T=\frac{E*S}{l_0}*\sqrt{H^{{}_2}+l_0^2}-E*S$$ .

Подставив в исходное равенство, получим искомую формулу

$$F=\frac{P*L}{4*H}-E*S*(\sqrt{1+\frac{H^2}{l_0^2}}-1)$$ .

Сущность изобретения поясняется чертежами.

На Фиг.1 показана схема растяжения шнура.

На Фиг.2 показан вид сбоку (в разрезе) расположения на шнуре зажимающих цилиндрических захватов и точка приложения поперечной нагрузки: 1 - шнур; 2 - точка приложения нагрузки; 3 - зажимающие цилиндрические захваты.

На Фиг.3 показано деформированное состояние шнура после приложения поперечной нагрузки (в разрезе): 1 - шнур; 2 - точка приложения нагрузки; 3 - зажимающие цилиндрические захваты.

На Фиг.4 показаны значения предварительной нагрузки, приложенной к образцу, и нагрузки полученной по предлагаемой формуле.

В качестве примера реализации метода рассмотрим измерение натяжения шнура ШРА08-15. Для данного эксперимента были взяты три обреза шнура длиной 226 мм. Каждый образец шнура исследован на наличие дефектов. Шнуры предварительно вывешены под нагрузкой 0.3 кг для выравнивания. После вывешивания шнуры закрепляют в неподвижной рамке, прилагая продольную нагрузку, и закрепляют. Далее к образцу прикладывается поперечная нагрузка в 1 кгс и с помощью катетометра КМ-8 измеряют величину прогиба. По формуле определяется значение предварительной нагрузки, которое заносится в таблицу. Для подтверждения формулы проведены эксперименты с нагрузками 2 кгс и 3 кгс. На Фиг.4 показаны значения предварительной нагрузки, приложенной к образцу, и нагрузки, полученной по предлагаемой формуле.

Полученные результаты показывают, что эксперименты подтверждают эффективность метода локального деформирования для определения величин предварительного натяжения вантовых элементов с использованием формулы.

ЛИТЕРАТУРА

1. Дмитриев Л.Г., Касилов А.В. Байтовые покрытия (расчет и конструирование). Киев, изд-во Будiвельник, 1974. - 272 с.

2. Блинков Н.Е. Авт. свид-во на изобр. №163763.

3. Вольмир, А.С. Гибкие пластинки и оболочки. М.: Государственное издательство технико-теоретической литературы, 1956. - 419 с.

4. Заявка на патент 2348036, РФ, G01N 33/36, Цитович И.Г. (Ru), Хапова И.Е. (Ru), Глушакова Н.В. (Ru), Коробов Н.А. (Ru), СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ НИТИ В ПРОЦЕССЕ ВЯЗАНИЯ НА ТРИКОТАЖНОЙ МАШИНЕ.

5. Заявка на патент (11)95100968, РФ, G01L 5/04, Лосев Р.З. (Ru), Седина О.В. (Ru), Баранов Н.А. (Ru), Захарьин О.Б. (Ru), СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПРОДОЛЬНОЙ СИЛЫ НАТЯЖЕНИЯ В РАСТЯНУТЫХ ЭЛАСТИЧНЫХ СТРУКТУРАХ.

6. Заявка на патент (11) 99112603, РФ, G01L 5/04, Кузнецов С.A. (Ru), Гарбер Э.A. (Ru), Виноградов А.И. (Ru), СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ НАТЯЖЕНИЯ ГИБКИХ ДЛИННОМЕРНЫХ ИЗДЕЛИЙ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения вантовых конструкций. Способ определения натяжения шнура заключается в защемлении шнура между двумя зажимами, в центр которого приложена постоянная поперечная нагрузка и измерение максимального прогиба. Величину силы предварительного натяжения F вычисляют по формуле:

$$F=\frac{PL}{4H}-ES(\sqrt{1+\frac{H^2}{l^2{}_0}}-1)$$ ;

где F - величина натяжения шнура, Н; P - величина поперечной нагрузки, Н; Н - величина максимального прогиба шнура, м; S - площадь поперечного сечения шнура, м²; Е - модуль упругости шнура, Па; L=2*l₀ - длина части шнура, расположенной между зажимами, м. Техническим результатом изобретения является упрощение определения натяжения шнура. 4 ил.

Способ определения натяжения шнура, включающий защемление шнура между двумя зажимами, в центр которого приложена постоянная поперечная нагрузка и измерение максимального прогиба, отличающийся тем, что величину силы предварительного натяжения F вычисляют по формуле:
,
где F - величина натяжения шнура, Н;
P - величина поперечной нагрузки, Н;
Н - величина максимального прогиба шнура, м;
S - площадь поперечного сечения шнура, м²;
Е - модуль упругости шнура, Па;
L=2*l₀ - длина части шнура, расположенной между зажимами, м.