Способ измерения усилий

 

Изобретение относится к контрольноизмерительной технике и мсхет быть ис- , lOfli JOBcHo для измерения статических и ,iV . i:мических уг.илий в металлургическом, машиностроительной и др. отраслях промышленности . Целью изобретения яиляется повышение надежности чувствительности и расширение функциональных ьосможностей. Цйль достигается выполнением чувст ви.с 1ьного элемента из двух твердых тел с зоной контакта ними, а определение величины силы производят путем сравнения излученного сигнала и сигнала, отраженного от зоны контакта. Зона контакта может быть предварительно сжата и в нее введена жидкость. 2 з.п.ф-лы, 7 ил. Ё

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕС(1УБЛИК ч>. G о1 1 ЭО 1/06

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ;:ОМИТЕТ

ПО ИЗОВРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ пРи Гкнт сссР

ы в(3 Ч Ill я H.t

Й»

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ABTOPCKOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4117797(10 (22) 10.06.86 (46) 30.01.91. Бюл. N 4 (71) Всесоюзный научно-исследовательский институт металлургической теплотехники (72) И.M.Äèñòeð. ефт, А.B.Årcðoå, В.М.Врыксин и В.М.Двинский (53) 631,781(OB B. 8) (56) Авторское свидетельс во СССР

N. 311153, кл кл. G 01 D 1./13, 1969, Frederick l.R. Use of ultrasonic surface

waves ln the deterniination of residual strees

in the tais, lASA, 1960. 32, М 11, р. 1499.

Изобретение относится к контрольноизмерительной технике и может быть использовано для измерения статических и динамических усилий в металлургической, машиностроительной, энергетической и других отраслях промышленности.

Цель изобретения — повышение надежности, чувствительности и расширение функциональных воэможностей.

На фиг. 1 показано состсяние зоны контакта при различных степенях нагружения; на фиг. 2 — схема устройства, реализующего способ: на фиг, 3 — зависимость выходного сигнала для контакта сталь — сталь; на фиг.

4 — зависимость выходного сигнала для контакта сталь — цветные металлы; на фиг. 5— зависимость выходного сигнала для случая заполнения эоны контакта жидкостью; на фиг. 6 — зависимость выходного сигнала для контакта сталь — сталь при разных температурах; на фиг, 7 — пример конкретного применения способа, 19) Я,/ (!1Ц "1 62428 1 А i (54, СГОСО, »!ЧЗМЕРГ ll УСИЛИЙ (57, Изобрете ие относится к контрольноизмерительной технике и мсх<ет быть uc:icл зов но для измерения статических и ,« .мических у.-.илий в мегаллургической, машиностроительной и др, отраслях пров;ышленности, Целью изоЬретения является повышение надежности чувствительности и расширение функциональных ьо= можностей. Цель достигается выполнением чувст ви;enüíîro элемента из двух твердых тел с зоной контакта между ними, а определение величины силы производят путем сравнения излученного сигнала и сигнала, отраженного от зоны контакта. Зона контакта может быть предварительно сжата и в нее введена жидкость. 2 з.п,ф-лы, 7 ил.

СпосоЬ основан на изменении акустических свойств зоны контакта твердых тел, образованной при контакте их неровных поверхностей (фи-. 1), Показано состояние зоны контакта твердых тел 1 и 2 при различных степенях нагружения. При малых усилиях (И1) число пятен касания невелико(Аг1.

А(2, ...Arn), а зазоры обширны и занимают большую часть номинальной площади касания тел. В этом случае зона контакта в основном отражает упругие волн., а пятна касания являются дифрагирующими элементами.

С увеличением усилий (Ng > Ni) число пятен касания и их размеры увеличиваются. что приьодит к уменьшению отражения упругих волн.

При больших усилиях (Гчз > Nz) сближение твердых тел настолько велико, что упругая волна почти целиком проходи.- через сплошную гоаницу раздела (А, ), незначительно р:--ссеиваясь на замкн, тых зазорах.

1624281

25

35

45

55

На коНтакте тел из разнородных материалов в местах сплошного касания имеет место отражение упругих волн из-эа различия акустических свойств тел, При измерении знакопеременных усилий контактирующие тела необходимо предварительно сжать, чтобы изменение направления усилий не прервало контакт, Деформационные свойства поверхностных слоев твердых тел изменяются с изменением температуры, Поэтому для обеспечения достоверности измерений усилий необходимо либо подбирать материалы твердых тел, исходя из постоянства их физико-механических свойств в заданном диапазоне температур, либо при определении величины усилий вводить поправки на температуру.

На фиг. 2 показана схема, реализующая способ, особенностью которой является использование импульсных упругих колебаний и пьезопреобразователя, работающего в режиме излучения — приема. Схема содержит твердые тела 1 и 2 с неровными поверхностями А и В, образующими зону 3 контакта, пьеэопреобразователь 4, генератор 5 электрических импульсов, усилитель 6 с детектором 7 и нормализатором 8, синхронизатор 9, блок 10 деления, источник 11 опорного напряжения, блок 12 обработки сигналов и регистрации величины усилий, блок 13 введения температурных поправок.

Схема допускает работу двух пьезопреобразователей при изменении усилий с помощью волны, прошедшей через зону контакта, Пьеэопреобразователь 4, изображенный пунктиром, в этом случае работает

"На прием".

Измерение усилий N, сжимающих тела

1 и 2 (фиг, 2), производится следующим образом, Генератор 5 вырабатывает электрические импульсы, а пьезопреобразователь 4 преобразует их в импульсы упругих колебаний и посылает в направлении эоны 3 контакта, состояние которой зависит от величины приложенных усилий. Импульсы, отраженные от зоны контакта, несут информацию о величине приложенных к телам 1 и

2 усилий на пьезопреобразователь 4, который, работая "На прием", преобразует их в электрические импульсы U»<, поступающие на вход усилителя 6. Далее они усиливаются, детектируются детектором 7 и приводятся нормалиэдтором 8 к виду, удобному для дальнейшей обработки.

На выходе нормализатора 8 появляется однополярный сигнал U, уровень которого пропорционален амплитуде импульсов на входе усилителя 6 (U»). Источник 11 выдает сигнал той же полярности U, уровень которого пропорционален О х при отсутствии усилия на тела 1 и 2.

На выходе блока деления 10 появляется сигнал U = U /U, уровень которого характеризует изменения физических свойств чувствительного элемента, в данном случае — акустических свойств эоны контакта твердых тел. Блок 12 обрабатывает сигнал

U" в соответствии с заданным алгоритмом и регистрирует значения усилий. При изменяющихся температурах могут быть введены поправки блоком 13. В качестве блока 12 можно использовать микроЭВМ, например

"Электроника 60", с последующим выводом результатов измерений на печать, Необходимая чувствительность при измерении усилий достигается выбором соотношения между длиной волны упругих колебаний и характерными размерами неровностей контактных поверхностей. Для этого можно изменять либо частоту колебаний, либо чистоту обработки поверхностей.

Получение зависимостей U" = U /О

= f(N) для различных сочетаний частот колебаний и способов обработки поверхностей может устранить в дальнейшем необходимость тарировки каждого нового датчика.

Примеры таких зависимостей показаны на фиг. 3 — 6. Измерения проводятся по фиг. 2.

При этом тело 1 изготавливают в виде стержня круглого сечения диаметром 8 мм и длиной 80 MM из стали ЗОХГСА с термообработанным и шлифованным до R3 = 0,15 мкм торцом, который выбирают в качестве одной из контактирующих поверхностей. На другом торце крепится пьеэопреобраэователь из пьеэокерамики ЦТС вЂ” 19 с резонансной частотой 5 МГц. Тело 2 изготавливают в виде цилиндрических образцов диаметром 8 мм и длиной 15 мм из черных и цветных металлов, торцы которых обрабатывают строганием, шлифованием и доводят.

На фиг. 3 показаны зависимости U"

=U /U = f(N) для контакта сталь — сталь. В качестве тела 2 используют образцы из стали 45, обработанные шлифованием до R>= 1,1 мкм (кривая а), R> = 0,62 мкм (кривая б), R> = 0,32 мкм (кривая в), R> = 0,15 мкм (кривая г). Один образец доводят до Ва =

= 0,075 мкм (кривая д). Видно, что чувствительность существенно меняется при изменении чистоты обработки контактных поверхностей.

На фиг. 4 показаны зависимости 0" =

=0 /U = f(N) для контакта сталь — цветные металлы, Образцы из дюралюминия Д-19 обрабатывают строганием до R> = 1,85 мкм (кривая а ), из меди MOO — до R = 2 мкм (кривая б ), иэ алюминия АДОΠ— до Ra =

1624281

=8,5 мкм (кривая в ) и до R = 3,5 мкм(кривая

r ). Линии 1-1, 2-2, 3-3 соответствуют минимальным значениям U при полном контакте тел 1 и 2 и характеризуют отражение упругих волн от зоны контакта вследствие 5 различия акустических свойств материалов.

Видно, что чувствительность датчиков из разнородных материалов различна, Чувствительность датчиков при высоких удельных нагрузках в зоне контакта мо- 10 жет быть изменена при введении в нее жидкости.

На фиг. 5 показаны зависимости U"

-U /О - f{N) для сухого контакта сталь— сталь и в случае заполнения зоны контакта 15 жидкостями. В качестве тела 2 используют образец из стали 10 с поверхностью, троганой до Rs = 3,5 мкм. Сухому контакту соответствует кривая е. Для заполнения зоны контакта веретенным маслом {кривая ж) и 20 смазкой П-28 "Брайтсток" (кривая э) характерно существенное изменение чувствительности в сторону ее увеличения.

На фиг. 6 показаны зависимости U" = 25

=U /U = f(N) для контакта сталь — сталь, когда тела 1 и 2, изготовленные из стали 45 с одинаковой обработкой контактных поверхностей шлифованием до R> = 1,35 мкм, сжимаются усилиями N при температурах соответственно 100 С (кривая е ), 300 С (кривая ж ) и 700 С (кривая э ). Видно, что работоспособность датчиков сохраняется при температурах, значительно превышающих допустимые для злектротенэометрии или других способов.

Примером конкретного применения предлагаемого способа является измерен усилий при прессовани на гидропресс» алюминиевых образцов иэ АД-00 с чигтотой поверхности R, -=- 6,5 мкм.

На фиг. 7 показана схема уста :овки, где изображены гидропресс 14, поршень 15 гидропресса, образец 1б иэ алюминия АД00, боек 17 из стали ЗОХГСА, пьезодатчик

18 из керамики ЦТС-19, контрольные тензорезисторы 19, тензометрическая GHTpoiibная аппаратура 20, манометр 21 для замера давлений под поршнем гидропрес:а.

Формула изобретения

1. Способ измерения усилий, заключающийся в том, что вдоль силочуаствительной оси чувствительного элема а пропускают упругую волну и определяю.- величину усилия, отл и ч а ю шийся тем, что, с целью повышения надежности, р качестве чувствительного цемента используют твердые тела с зоной контакта между ними, а величину силы определяют по отношению амплитуды когебаний отраженной или прошедшеи через зону контакта упру. ой волны к величине амплитуды колебаний иэлученной упр,;ой волны.

2. Способпоп.1,отлича ющийся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей эа сче1 измерения знакопеременных усилий, осуществляют предварительное сжатие зоны контакта.

3. Способ по и. 1, о тл и ч а ю шийся тем, что, с целью увеличения чувствительности, в зону контакта вводят жидкость.

1б24281

1,0

0,3

0,8

0,7

Яб

0,$

0Р

Фиг. 2

0,2

0,1

0,9

o,s

0,6

05 ое

02

L — — J

5 10 1.10 1,5.10 2104ЦH

Фие. 4 (й

110 ИО1 J.ro Ю.10ю 5.10е

Фиг, S я.н

1624281

09

07

0,б

0,5

0,4

0,Л

0,2 0,1

0,1

Фиу. 7

Соста вител ь А. Э к оном о в

Редактор И, Касарда Техред M,Ìîðãåíòàë Корректор Л. Бескид

Заказ 182 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб„4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101 (3 )

5 10 2104 ЗЮ4 4104 rà4цн

Фи2. Х

rr04 2Ю4 3 1О4 4.104 5r04N,: айаг. Ю