СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ УГЛА ПОВОРОТА СЕЧЕНИЯ ПРИ ИЗГИБЕ СТЕРЖНЯ Российский патент 2024 года по МПК G01B5/24 

Изобретение относится к машиностроению, к способам измерения угла поворота сечения при изгибе стержня.

Далее рассматривается плоский изгиб стержня. Т.е. при изгибе элементы нейтрального сечения стержня перемещаются, оставаясь в одной и той же плоскости, при этом каждое сечение стержня, если оно поворачивается, то поворачивается относительно оси, нормальной к этой плоскости (для удобства при составлении описания будем считать, что эта плоскость является горизонтальной плоскостью). Для простоты будем считать, что сечение стержня симметричное; в принципе сечение стержня может быть переменным, но предполагаем, что при изгибе стержня, каждое сечение может поворачиваться только вокруг оси, направленной по нормали к горизонтальной плоскости. Будем считать, что исследуемый (т.е. изгибаемый) стержень представляет собой узкую пластинку удлиненной формы. Для простоты будем предполагать, что в исходном состоянии эта пластинка плоская (т.е. не изогнутая) (хотя данное изобретение вполне может применяться и для стержней, имеющих начальный изгиб). Для удобства при составлении описания изобретения будем предполагать, что эта пластинка (стержень) расположена так, что ее длина идет вдоль горизонтальной линии. Эта пластинка как бы стоит на ребре. Т.е. все («мысленно проводимые по этой пластинке») прямые линии, идущие вдоль ширины этой пластинки, нормальны горизонтальной плоскости, как в исходном состоянии, так и после изгиба этого стержня.

При составлении описания изобретения предполагаем, что под исследуемым стержнем находится плоская, горизонтально расположенная крышка рабочего стола. На этой крышке неподвижно закреплена миллиметровая бумага, на которой можно проводить различные прямые линии. При этом исследуемый стержень (пластинка удлиненной формы) расположен так, что его длина идет вдоль горизонтальной линии; при изгибе этого стержня, каждая точка этого стержня перемещается (если она перемещается), оставаясь в одной и той же горизонтальной плоскости.

В описании изобретения использованы ссылки на следующие работы.

1. Машиностроение. Энциклопедический справочник. Редакционный Совет. Председатель Совета и главный редактор акад. Е.А. Чудаков. Раздел третий. Технология производства машин. Том 5. Ответственный редактор В.М. Кован. М.: Государственное научно-техническое издательство машиностроительной литературы. 1947, 544 с.

2. Лабораторный практикум по сопротивлению материалов. М: Изд-во МАИ, 1997, 352 с. // А.С. Вольмир, Ю.П. Григорьев, В.А. Марьин, А.И. Станкевич//.

Известно применение угловых плиток (см. в [1] стр. 197 и фиг. 55) для замера углов. Угловые плитки представляют собой стальные бруски, измерительные поверхности которых направлены под заданным углом. Таким образом, будем считать, что прочерчена прямая линия, характеризующая положение касательной в заданной точке стержня в исходном положении (т.е. до изгиба стержня). Затем изгибают стержень и прочерчивают прямую линию, характеризующую положение касательной в заданной точке стержня (после его изгиба). Затем с помощью указанных выше угловых плиток замеряют угол между этими прямыми.

Совпадающие признаки. Прочерчивают прямую линию, характеризующую положение касательной в заданной точке стержня в исходном положении (т.е. до изгиба стержня). Затем изгибают стержень и прочерчивают прямую линию, характеризующую положение касательной в заданной точке стержня (после его изгиба). Затем замеряют угол между этими прямыми.

Недостатки. Сложно провести касательную линию в данной точке изогнутого стержня, чтобы потом замерить угол отклонения (поворота) этой касательной. Под словами «провести касательную» подразумевается: либо «мысленно» провести касательную, или, например, построить проекции точек и провести прямую линию на бумаге, расположенной на рабочем столе. Кроме того, угловые плитки имеют дискретный набор углов.

Известен способ замера углов с помощью универсального угломера (см. в [1] стр. 197 и фиг. 56). Универсальный угломер содержит следующие детали. По сектору, на котором нанесена основная градусная шкала, перемещается пластина с закрепленным на ней нониусом. На этой пластине с помощью державки можно закрепить угольник, на котором в свою очередь закрепляется линейка. Упомянутая выше пластина жестко соединена с сектором. Путем различных комбинаций в установке измерительных деталей угломера обеспечивается возможность измерения углов в интервале 0-320°, величина отсчета по нониусу 2'. Реже применяют угломеры с отчетом по нониусу 5'. Если удастся провести касательную в рассматриваемой зоне изогнутого стержня, то с помощью этого универсального угломера можно будет замерить угол между прямой линией, характеризующей положение касательной в заданной точке стержня в исходном положении (т.е. до изгиба стержня) и прямой линией, характеризующей положение касательной в заданной точке стержня (после его изгиба).

Совпадающие признаки. В обоих случаях требуется проведение касательных в рассматриваемой зоне стержня до изгиба стержня и в рассматриваемой зоне изогнутого стержня. Затем измеряют угол между прямой линией, характеризующей положение касательной в заданной точке стержня в исходном положении (т.е. до изгиба стержня) и прямой линией, характеризующей положение касательной в заданной точке стержня (после его изгиба).

Недостатки. Сложно построить прямую линию, характеризующую положение касательной в заданной точке этого стержня.

Известны синусные линейки, применяемые для точного измерения углов шаблонов и т.п. (см. в [1] стр. 198 и фиг. 58). Синусные линейки в простейшем виде представляют собой брусок с двумя прикрепленными к нему цилиндрическими роликами. Подкладывая под один из роликов блок плиток, можно установить измерительную поверхность линейки под заданным углом к поверхности плиты. При условиях, что эти ролики имеют одинаковый диаметр и центры (точнее оси) этих роликов лежат в плоскости, параллельной измерительной поверхности, величина угла наклона синусной линейки а определяется из зависимости В=L×sin(α), где В - толщина слоя блока плиток, L - расстояние (в плоском случае) между центрами роликов.

Совпадающие признаки. В обоих случаях требуется проведение касательных в рассматриваемой зоне стержня до изгиба стержня и в рассматриваемой зоне изогнутого стержня. Затем измеряют угол между прямой линией, характеризующей положение касательной в заданной точке стержня в исходном положении (т.е. до изгиба стержня) и прямой линией, характеризующей положение касательной в заданной точке стержня (после его изгиба).

Недостатки. Сложно построить прямую линию, характеризующую положение касательной в заданной точке этого стержня.

Известен способ замера углов поворота при изгибе стержней (см. в [2] стр. 190-191 и рис. 5.38 на стр. 191 в этой книге). Этот способ принят в качестве прототипа, этот способ заключается в следующем.

К концевой части стержня неподвижно крепят зеркало. Зеркало крепят так, чтобы рабочая поверхность зеркала была примерно нормальна оси образца (в исходном состоянии, т.е. до приложения изгибающей нагрузки). При этом рабочая поверхность этого зеркала направлена так, что узкий луч света, направленный на это зеркало, отражается от этого зеркала. При этом источник света и шкала, по которой определяется величина отклонения этого луча при изгибе стержня, расположены вне зоны расположения изгибаемого стержня.

Таким образом, данный способ можно охарактеризовать следующими словами. К концевой части стержня неподвижно крепят зеркало. На некотором (на заметном) удалении от этого зеркала закрепляют шкалу. Направляют на это зеркало узкий луч света. Изгибают стержень. С помощью зрительной трубы замеряют смещение этого (отраженного) луча по этой шкале и вычисляют угол поворота этого сечения стержня.

Недостатки. Если надо провести замер угла поворота не только концевой части стержня, но и для сечений стержня, удаленных от концевой части стержня, то могут возникнуть сложности с креплением зеркала к стержню, с перестановкой зеркала в разные места, с направлением узкого луча на зеркало, с замером величины угла отклонения зеркала (зеркало будет не только поворачиваться, но одновременно будет смещаться зона установки этого зеркала).

Задача изобретения: обеспечить возможность замера угла поворота сечения стержня, удаленного от опоры, при изгибе стержня. При этом, чтобы была возможность быстро переставить требуемые детали в зону другого сечения исследуемого стержня и при этом не повредить материал стержня.

Эта задача решается следующим. Берут две детали удлиненной формы из нетвердого материала (например, из дерева), имеющие плоскую поверхность. Эти детали устанавливают по обе стороны стержня на нужном месте напротив друг друга, причем плоская поверхность каждой из этих деталей контактирует с поверхностью стержня. При этом эти детали удлиненной формы направлены вдоль ширины образца. Эти детали удлиненной формы упруго поджимаются к стержню; например, около своих концевых частей, т.е. выше и ниже стержня, эти детали соединены между собой путем многократного наматывания растянутой резинки. К одной детали удлиненной формы крепят кусок пластилина, к этому пластилину неподвижно крепят стрелочный индикатор, направленный вдоль горизонтальной линии. На горизонтальной поверхности стола под образцом крепят лист миллиметровой бумаги. На этот лист бумаги наносят проекции концевых частей стрелочного индикатора, эти проекции получают путем проецирования соответствующих точек по нормали к поверхности стола. Через эти точки проекций проводят прямую. Замеряют угол между этой прямой и прямой, характеризующей начальное положение стрелочного индикатора или его положение при предшествующих замерах. Т.к. используется пластилин, стрелочный индикатор может быть легко передвинут в другое место или изменен угол его установки.

Т.к. используются растянутые резинки, то вся система вспомогательных деталей может быть передвинута на другое место. Или, освободив резинки, переставлена на другое место. Так как вспомогательные детали удлиненной формы сделаны из дерева (т.е. твердость этих деталей заметно меньше, чем твердость испытуемых стержней, которые обычно изготавливают из металла), при установке этих вспомогательных деталей (и при их смещении) образец не повреждается.

Технический результат изобретения заключается в том, что обеспечивается возможность замера угла поворота сечения стержня в зоне, удаленной от концевой части стержня, при этом обеспечивается возможность быстро переставить детали в другое сечение стержня, не повреждая стержень.

Таким образом, берут две детали удлиненной формы из нетвердого материала (например, из дерева), имеющие плоскую поверхность. Эти детали устанавливают по обе стороны стержня в нужном месте напротив друг друга, причем плоская поверхность каждой из этих деталей контактирует с поверхностью стержня. При этом эти детали удлиненной формы направлены вдоль ширины образца. Эти детали удлиненной формы упруго поджимаются к стержню; например, около своих концевых частей, т.е. выше и ниже стержня, эти детали соединены между собой путем многократного наматывания растянутой резинки. К одной детали удлиненной формы крепят кусок пластилина, к этому пластилину неподвижно крепят стрелочный индикатор, направленный горизонтально. На горизонтальной поверхности стола под стержнем крепят лист миллиметровой бумаги. На этот лист бумаги наносят проекции концевых частей стрелочного индикатора, эти проекции получают путем проецирования соответствующих точек по нормали к поверхности стола. Через эти точки проекций проводят прямую. Замеряют угол между этой прямой и прямой, характеризующей начальное положение стрелочного индикатора или его положение при предшествующих замерах. Т.к. используется пластилин, стрелочный индикатор может быть легко передвинут, или изменен угол его установки. Т.к. используются растянутые резинки, то вся система вспомогательных деталей может быть передвинута на другое место. Или, освободив резинки, переставлена на другое место. Так как вспомогательные детали удлиненной формы сделаны из дерева (т.е. твердость этих деталей заметно меньше, чем твердость испытуемых стержней, которые обычно изготавливают из металла), при установке этих вспомогательных деталей (и при их смещении) стержень не повреждается. Указанные выше факты обуславливают причинно-следственная связь между задачей изобретения и техническим результатом изобретения.

На фиг. 1 обозначены следующие детали.

1. Изгибаемый стержень (предполагается, что исследуемый (т.е. изгибаемый) стержень имеет вид тонкой длинной пластинки; фиг. 1 - это как бы вид сверху; предполагается, что в исходном состоянии стержень расположен горизонтально, а его ширина направлена по вертикали).

2 и 3. Детали удлиненной формы, которые с усилием поджаты к поверхности стержня.

4. Кусок пластилина, который прикреплен к детали 3.

5. Стрелочный индикатор, по углу поворота которого судят о величине поворота рассматриваемого сечения стержня.

Удобно детали 2 и 3 изготавливать из дерева. Например, шестигранный карандаш, детские счетные палочки шестигранные. Удобно детали 2 и 3 делать одинаковых размеров.

Детали 2 и 3 в рабочем состоянии устанавливают напротив друг друга (без смещений).

Детали 2 и 3 (в рабочем состоянии) связаны между собой (сверху и снизу стержня) с помощью многократно намотанных растянутых резинок (эти резинки на фиг. не показаны). В итоге, в рабочем состоянии стержень 1 располагается между деталями 2 и 3, при этом детали 2 и 3 плотно прилегают к стержню 1 и в рабочем состоянии надежно (без проскальзывания) скреплены со стержнем 1. Зона контакта детали 2 (и детали 3) со стержнем является узкой, так что наличие на стержне деталей устройства для замера угла поворота не вносит заметных погрешностей при замере угла поворота сечения стержня при изгибе стержня.

Кусок пластилина 4 используется для удобства для закрепления стрелочного индикатора 5. В данном случае использование пластилина 4 удобно по ряду причин. Среди этих причин можно назвать следующие основные причины. Удобно крепить стрелку 5 (не надо что-то придумывать). Пластилин 4 по высоте можно крепить к детали 3 в разных местах (например, где удобнее). При испытаниях может возникнуть необходимость переставить стрелку 5 (например, изменить угол между стрелкой 5 и стержнем 1, чтобы не было соприкосновения между этими деталями). Когда используется пластилин, то легко можно изменить этот угол и замерить угол, на который повернули стрелку.

Детали 2 и 3 лучше делать из дерева. Твердость деталей 2 и 3 должна быть заметно меньше твердости стержня 1 (который обычно бывает из металла). Устанавливая детали 2 и 3, мы не должны повредить стержень 1.

Для удобства замера углов поворота следует внизу на плоскости крышки рабочего стола разместить миллиметровую бумагу. Удобно стрелку располагать так, чтобы проекция стрелки (при наблюдении «сверху вниз») совпадала с одной из линий миллиметровой бумаги. Для определения угла поворота стрелки используют, например, транспортир, либо замер смещения двух, удаленных друг от друга, точек стрелки (например, концевых точек этой стрелки) с последующим расчетом угла поворота. Для удобства составления описания предполагается, что плоскость поверхности рабочего стола расположена в горизонтальной плоскости. В рабочем состоянии «нейтральная» ось изгибаемого стержня располагается в горизонтальной плоскости. Стержень изгибается так, что сечения стержня не поворачиваются относительно горизонтальной оси. Часто исследуемый стержень представляет собой тонкую пластинку удлиненной формы. Считается, что этот стержень закреплен так, что длина этой пластинки (если пластинка прямолинейная) направлена вдоль горизонтальной линии. В общем случае эта пластинка может быть изогнутой в начальном состоянии. В этом случае следует говорить, что «нейтральная» ось стержня располагается в горизонтальной плоскости. Ширина этой узкой пластины (исследуемого стержня) направлена по вертикали. Предполагается, что при проведении работ по замеру углов поворота проводятся (мысленно) вертикальные линии из требуемых точек стрелки (например, начальная и конечная точки) до миллиметровки, расположенной на поверхности стола. Т.е. строятся проекции нужных точек. Через полученные на миллиметровке точки проводится прямая линия, затем определяется угол поворота этой линии относительно линий, нанесенных на миллиметровке, характеризующих начальное положение стрелки (или положение стрелки при предшествующих замерах). Для удобства предполагается, что вертикальные линии, проведенные на поверхности стержня в рабочем состоянии (проведенные, например, мысленно) остаются вертикальными при изгибе стержня. //Конечно, этот способ замера угла поворота можно использовать и при более сложном режиме изгиба стержня, но в этом случае будет более сложная интерпретация получаемых результатов//.

Если при одном и том же испытании надо провести замеры угла поворота двух разных сечений стержня, то следует установить два разных набора вспомогательных деталей. При этом для удобства (чтобы стрелочные индикаторы не мешали друг другу) можно пластилин крепить к соответствующим деталям в разных горизонтальных плоскостях (т.е. на разных расстояниях от концевой части вспомогательной детали удлиненной формы). Взяв большой кусок пластилина можно стрелочный индикатор удалить от стержня.

Не обязательно пытаться проводить именно касательную, можно брать и другую прямую линию. Главное, что поворот стрелочного индикатора будет характеризовать поворот сечения стержня в рассматриваемой зоне.

Таким образом, способ измерения угла поворота сечения при изгибе стержня заключается в следующем. Для замера этого угла поворота к стержню в нужном месте крепят вспомогательные детали, которые при изгибе стержня поворачиваются. Для замера этого угла требуется знать положение этих деталей в исходном состоянии и после изгиба стержня. Берут две детали удлиненной формы из нетвердого материала (например, из дерева), имеющие плоскую поверхность. Эти детали устанавливают по обе стороны стержня в нужном месте напротив друг друга. Причем плоская поверхность каждой из этих деталей контактирует с поверхностью стержня, при этом эти детали удлиненной формы направлены вдоль ширины стержня. Эти детали удлиненной формы упруго поджимаются к стержню, например, путем многократного наматывания растянутой резинки, охватывая концевые части обоих, рядом расположенных деталей удлиненной формы, т.е. выше и ниже стержня. При этом к одной детали удлиненной формы крепят кусок пластилина. К этому пластилину неподвижно крепят стрелочный индикатор (стрелку), направленный вдоль горизонтали. На горизонтальной поверхности стола под стержнем крепят лист миллиметровой бумаги. На этот лист бумаги наносят проекции концевых частей стрелочного индикатора, эти проекции получают путем проецирования соответствующих точек по нормали к поверхности стола. Через эти точки проекций проводят прямую и замеряют угол между этой прямой и прямой, характеризующей начальное положение стрелочного индикатора или его положение при предшествующих замерах.

Пусть известны координаты четырех точек: (X₁₀, Y₁₀) и (X₂₀, Y₂₀) - это исходное положение стрелки; (X₁, Y₁) и (Х₂, Y₂) - координаты проекций концов стрелки после изгиба стержня. Будем считать, что наши прямые не параллельны оси ОУ и будем искать уравнения прямых в виде: y=kx+в.

Сначала находим (вычисляем) величины k₁ и k₂ по соотношениям: ; . Затем найдем угол ϕ из соотношения: . (Угол ϕ может быть и отрицательным; угол ϕ отсчитывается от первой прямой ко второй против часовой стрелки.) При выводе этих соотношений за основу брались данные справочника: Бронштейн И.Н., Семендяев К.А. Справочник по математике для инженеров и учащихся втузов. 15-е изд. М.: Наука. Физматлит, 1998, 608 с. (См. стр. 204).

Изобретение относится к машиностроению, к способам измерения угла поворота сечения при изгибе стержней. Способ заключается в том, что для замера этого угла к стержню крепят вспомогательные детали удлиненной формы из дерева. Детали упруго поджимаются к стержню с помощью резинки. К одной детали удлиненной формы крепят кусок пластилина, к этому пластилину крепят стрелочный индикатор. На горизонтальной поверхности стола под стержнем крепят лист миллиметровой бумаги. Изгибают стержень. На этот лист бумаги наносят проекции концевых частей стрелочного индикатора, эти проекции получают путем проецирования соответствующих точек по нормали к поверхности стола. Через эти точки проекций проводят прямую. Замеряют угол между этой прямой и прямой, характеризующей начальное положение стрелочного индикатора или его положение при предшествующих замерах. Технический результат – обеспечивается возможность замера угла поворота сечения стержня в зоне, удаленной от концевой части стержня, при этом обеспечивается возможность быстро переставить детали в другое сечение стержня, не повреждая стержень. 1 ил.

Способ измерения угла поворота сечения при изгибе стержня, заключающийся в том, что для замера этого угла поворота к стержню в нужном месте крепят вспомогательные детали, которые при изгибе стержня поворачиваются, для замера этого угла требуется знать положение этих деталей в исходном состоянии и после изгиба стержня, отличающийся тем, что берут две детали удлиненной формы из нетвердого материала, например из дерева, имеющие плоскую поверхность, эти детали устанавливают по обе стороны стержня в нужном месте напротив друг друга, причем плоская поверхность каждой из этих деталей контактирует с поверхностью стержня, при этом эти детали удлиненной формы направлены вдоль ширины образца, эти детали удлиненной формы упруго поджимаются к стержню, например, путем многократного наматывания растянутой резинки, охватывая концевые части обеих рядом расположенных деталей удлиненной формы, т.е. выше и ниже стержня, при этом к одной детали удлиненной формы крепят кусок пластилина, к этому пластилину неподвижно крепят стрелочный индикатор, направленный вдоль горизонтали, на горизонтальной поверхности стола под стержнем крепят лист миллиметровой бумаги, на этот лист бумаги наносят проекции концевых частей стрелочного индикатора, эти проекции получают путем проецирования соответствующих точек по нормали к поверхности стола, через эти точки проекций проводят прямую и определяют угол между этой прямой и прямой, характеризующей начальное положение стрелочного индикатора или его положение при предшествующих замерах.