Стенд для измерения сопротивления грунтов и снежно-ледяных образований резанию
Владельцы патента RU 2749656:
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Сибирский федеральный университет" (RU)
Использование: изобретение относится к технике измерений сопротивлений грунтов и снежно-ледяных образований резанию и может быть использовано для определения сил, действующих на режущий орган строительно-дорожных машин. Сущность: предложен стенд для измерения сопротивления грунтов и снежно-ледяных образований резанию, включающий раму, тензометрические балки для регистрации горизонтальной, вертикальной и боковой составляющих усилия резания, соединенные с держателем режущего органа. Новым является то, что в качестве тензометрических балок использованы усиленные балки с уменьшенным сечением в местах установки тензорезисторов, причем тензометрические балки выполнены в виде удлиненного параллелепипеда, снабженного вытянутым вдоль балки сквозным Н-образным пазом, и закреплены в стенде как консольные балки. При этом тензометрическая балка (4), регистрирующая горизонтальную составляющую усилия резания, установлена перпендикулярно к направлению движения рабочего органа (5) с расположением осей Н-образного паза (6) в вертикальной плоскости и жестко закреплена одним концом в П-образном кронштейне (3), соединенном с рамой (1), а другим концом балка (4) соединена с треугольным кронштейном (11) с возможностью перемещения конца балки (4) в горизонтальной плоскости. Тензометрическая балка (12), регистрирующая вертикальную составляющую усилия резания, установлена перпендикулярно к направлению движения рабочего органа с расположением осей Н-образного паза в горизонтальной плоскости и жестко закреплена одним концом в треугольном кронштейне (11), вторым концом балка (12) соединена с Г-образной плитой (18) с возможностью перемещения конца в вертикальной плоскости. Тензометрическая балка (22), регистрирующая боковую составляющую усилия резания, установлена параллельно к направлению движения рабочего органа с расположением осей Н-образного паза в вертикальной плоскости и жестко закреплена одним концом с Г-образной плитой (18), а вторым концом соединена с основанием (29), на котором закреплен держатель (32) с рабочим органом (5), с возможностью перемещения конца балки (22) в горизонтальной плоскости. Кроме того, держатель (32) установлен с возможностью изменения угла установки рабочего органа, а рабочий орган установлен с возможностью изменения угла резания относительно вертикальной оси. Технический результат: повышение точности измерения составляющих усилия резания, расширение функциональных возможностей стенда и повышение эффективности его работы. 1 з.п. ф-лы, 5 ил.
Изобретение относится к технике измерений сопротивлений грунтов и снежно-ледяных образований резанию и может быть использовано для определения сил, действующих на режущий орган землеройной машины, строительно-дорожной и снегоуборочной техники.
Известен стенд для измерения сопротивления грунтов резанию, содержащий раму с упругим консольным элементом, на котором закреплен держатель с режущим элементом, и тензодатчики, при этом упругий элемент выполнен Т-образным, тензодатчики расположены на вертикальных и горизонтальных участках упругого элемента, а держатель закреплен на горизонтальном участке упругого элемента (Авт. свид. СССР №734514, дата приоритета 09.11.1977, дата публикации 15.05.1980, авторы: Пристайло Ю.П. и др., RU).
Недостатками известного стенда являются ограниченные функциональные возможности и низкая эффективность из-за фиксации держателя с режущим органом в одном положении, а также низкая точность измерений, обусловленная установкой тензодатчиков на поверхности Т-образного элемента по ходу движения стенда, что приводит к взаимному влиянию вертикальной составляющей усилия резания на величину горизонтальной составляющей усилия резания при резании мерзлых грунтов с включениями.
Наиболее близким аналогом по технической сущности и достигаемому результату является стенд для измерения сопротивления грунтов и снежно-ледяных образований резанию, принятый в качестве прототипа, содержащий раму с жестко закрепленными на ней кронштейнами, П-образный упругий консольный элемент, шарнирно соединенный с рамой, основание, шарнирно соединенное с П-образным упругим консольным элементом, закрепленный на основании держатель с режущим органом и горизонтальные тяги с установленными на них тензодатчиками, регистрирующими составляющие усилия резания, при этом тяга, регистрирующая горизонтальную составляющую усилия резания, выполнена в виде стержня, установлена вдоль продольной оси стенда и шарнирно закреплена одним концом в кронштейнах рамы, а другим концом с основанием, тяга, регистрирующая боковую составляющую усилия резания, выполнена в виде стержня, установлена перпендикулярно продольной оси стенда и шарнирно закреплена одним концом в кронштейнах рамы, а другим концом с основанием, тяга, регистрирующая вертикальную составляющую усилия резания и шарнирно связывающая раму с П-образным упругим консольным элементом, выполнена в виде вала с продольным отверстием по всей его длине и установлена параллельно продольной оси стенда в кронштейнах рамы, держатель с закрепленным на нем рабочим органом установлен на основании с возможностью изменения угла установки рабочего органа при повороте держателя в горизонтальной плоскости относительно вертикальной оси, проходящей через центр основания и середину кромки рабочего органа, а рабочий орган установлен с возможностью изменения угла резания (Патент РФ №2676208 С1, дата приоритета 27.03.2018, дата публикации 26.12.2018, авторы: Желукевич Р.Б. и др., RU, прототип).
Недостатком прототипа является низкая его эффективность, обусловленная низкой точностью измерения составляющих усилия резания из-за шарнирного соединения концов тяг, являющихся тензометрическими балками, с держателем рабочего органа и с кронштейнами рамы.
Технической проблемой, решаемой изобретением, является повышение точности измерения составляющих усилия резания в стенде для измерения сопротивления грунтов и снежно-ледяных образований резанию.
Для решения технической проблемы предложен стенд для измерения сопротивления грунтов и снежно-ледяных образований резанию, включающий раму, тензометрические балки для регистрации горизонтальной, вертикальной и боковой составляющих усилия резания, соединенные с держателем режущего органа. Согласно изобретению, новым является то, что в качестве тензометрических балок использованы усиленные балки с уменьшенным сечением в местах установки тензорезисторов, причем тензометрические балки выполнены в виде удлиненного параллелепипеда, снабженного вытянутым вдоль балки сквозным Н-образным пазом, и закреплены в стенде как консольные балки. При этом тензометрическая балка, регистрирующая горизонтальную составляющую усилия резания, установлена перпендикулярно к направлению движения рабочего органа с расположением осей Н-образного паза в вертикальной плоскости и жестко закреплена одним концом в П-образном кронштейне, соединенном с рамой, а другим концом указанная балка соединена с треугольным кронштейном с возможностью перемещения конца балки в горизонтальной плоскости. Тензометрическая балка, регистрирующая вертикальную составляющую усилия резания, установлена перпендикулярно к направлению движения рабочего органа с расположением осей Н-образного паза в горизонтальной плоскости и жестко закреплена одним концом в треугольном кронштейне, вторым концом балка соединена с Г-образной плитой с возможностью перемещения в вертикальной плоскости. Тензометрическая балка, регистрирующая боковую составляющую усилия резания, установлена параллельно к направлению движения рабочего органа с расположением осей Н-образного паза в вертикальной плоскости и жестко закреплена одним концом с Г-образной плитой, а вторым концом соединена с основанием, на котором закреплен держатель с рабочим органом, с возможностью перемещения конца балки в горизонтальной плоскости.
Согласно изобретению, держатель с закрепленным на нем рабочим органом установлен на основании с возможностью изменения угла установки рабочего органа при повороте держателя в горизонтальной плоскости относительно вертикальной оси, проходящей через центр основания и середину кромки рабочего органа, а рабочий орган установлен с возможностью изменения угла резания. При этом держатель соединен с основанием с помощью болтовых соединений, диаметрально расположенных вокруг упомянутой вертикальной оси и образованных в выполненных в основании и держателе отверстиях. Кроме того, держатель выполнен с жестко закрепленными кронштейнами, на которых подвешен с помощью болтовых соединений рабочий орган, при этом кронштейны снабжены равноудаленными от режущей кромки крепежными отверстиями, расположенными по радиусу поворота рабочего органа относительно режущей кромки.
На фиг. 1 схематично изображен стенд для измерения сопротивления грунтов и снежно-ледяных образований резанию, общий вид сбоку; на фиг. 2 - то же, вид по стрелке А на фиг. 1; на фиг. 3 - то же, вид по стрелке Б на фиг. 1; на фиг. 4 - разрез В-В на фиг. 1; на фиг. 5 - сечение Г-Г на фиг. 2.
Стенд для измерения сопротивления грунтов и снежно-ледяных образований резанию содержит раму 1, на которой с помощью болтов 2 жестко закреплен П-образный кронштейн 3. Для регистрации составляющих усилия резания стенд снабжен тензометрическими балками с установленными на них тензорезисторами (условно не показано). В качестве тензометрических балок использованы усиленные балки с уменьшенным сечением в местах установки тензорезисторов, причем тензометрические балки выполнены в виде удлиненного параллелепипеда, снабженного вытянутым вдоль балки сквозным Н-образным пазом, и закреплены в стенде как консольные балки (https://palitrabazar.ru/raznoe/kak-rabotaet-tenzodatchik.html, дата просмотра 09.10.2020).
Тензометрическая балка 4, регистрирующая горизонтальную составляющую усилия резания, установлена перпендикулярно к направлению движения рабочего органа 5 с расположением осей Н-образного паза 6 (см. фиг. 4) в вертикальной плоскости и жестко закреплена одним концом с помощью шпилек 7 и гаек 8 в П-образном кронштейне 3, соединенном с рамой 1, а другим концом тензометрическая балка 4 соединена с помощью шпилек 9 и гаек 10 с треугольным кронштейном 11 с возможностью перемещения этого конца балки в горизонтальной плоскости за счет изгибания самой балки.
Тензометрическая балка 12, регистрирующая вертикальную составляющую усилия резания, установлена перпендикулярно к направлению движения рабочего органа 5 с расположением осей Н-образного паза 13 (см. фиг. 3) в горизонтальной плоскости и жестко закреплена одним концом с помощью шпилек 14 и гаек 15 в треугольном кронштейне 11, а вторым концом балка 12 с помощью шпилек 16 и гаек 17 соединена с Г-образной плитой 18 с возможностью перемещения конца балки в вертикальной плоскости за счет изгибания самой балки.
На Г-образной плите 18 с помощью болтов 19 и гаек 20 закреплены два кронштейна 21.
Тензометрическая балка 22, регистрирующая боковую составляющую усилия резания, установлена параллельно к направлению движения рабочего органа 5 с расположением осей Н-образного паза 6 в вертикальной плоскости и жестко закреплена одним концом с помощью шпилек 23 и гаек 24 в кронштейнах 21, а вторым концом соединена с помощью шпилек 25 и гаек 26 с кронштейнами 27, закрепленными с помощью болтов 28 на основании 29, на котором закреплен с помощью болтов 30 и гаек 31 держатель 32 с рабочим органом 5, с возможностью перемещения конца балки в горизонтальной плоскости за счет изгибания самой балки.
Держатель 32 с закрепленным на нем рабочим органом 5 установлен на основании 29 с возможностью изменения угла установки рабочего органа 5 при повороте держателя 32 в горизонтальной плоскости относительно вертикальной оси, проходящей через центр основания и середину кромки рабочего органа 5. При этом держатель 32 соединен с основанием 29 с помощью болтов 30 и гаек 31 и болтовых соединений, диаметрально расположенных вокруг упомянутой вертикальной оси и образованных в выполненных в основании 29 и держателе 32 отверстиях 33, причем в держателе 32 выполнены дополнительные регулирующие крепежные отверстия 33 (см. фиг. 5). Рабочий орган 5 установлен с возможностью изменения угла резания. Для этого держатель 32 выполнен с жестко закрепленными кронштейнами 34 (см. фиг. 5), на которых подвешен с помощью болтов 35 и гаек 36 рабочий орган 5, причем кронштейны 34 снабжены равноудаленными от режущей кромки крепежными отверстиями 37, расположенными по радиусу поворота рабочего органа относительно режущей кромки.
Перед проведением испытаний заявляемый стенд для измерения сопротивления грунтов и снежно-ледяных образований резанию устанавливают на стенд, имитирующий движение строительно-дорожной техники, и закрепляют с помощью шпилек и гаек, образующих болтовые соединения в отверстиях рамы 1 (условно не показано).
Стенд для измерения сопротивления грунтов и снежно-ледяных образований резанию работает следующим образом.
Рабочий орган 5 в виде отвала выставляют на нужную глубину резания. При помощи регулирующих отверстий 33 на держателе 32 выставляют необходимый угол поворота рабочего органа в горизонтальной плоскости относительно вертикальной оси, проходящей через центр основания 29 и середину кромки рабочего органа 5. Фиксируют положение держателя с рабочим органом 5 болтовыми соединениями с помощью болтов 30 и гаек 31. С помощью болтов 35, гаек 36 и крепежных отверстий 37 на кронштейне 34 держателя 32, образующих болтовые соединения, выставляют необходимый угол резания рабочего органа 5 по отношению к вертикальной оси. При этом положение упомянутой вертикальной оси остается неизменным для исключения взаимного влияния друг на друга составляющих усилий резания. Стенд находится в статическом положении, движение не совершает, продольное движение совершает образец грунта или снежно-ледового образования, установленный на подвижную плиту стенда, имитирующего движение строительно-дорожной техники (на рисунке не показано).
В процессе резания грунтов или снежно-ледяных образований в каждый момент времени на рабочий орган 5 действуют горизонтальная составляющая усилия резания РГ, вертикальная составляющая усилия резания РВ и боковая составляющая усилия резания РБ, возникающая при изменении угла резания и угла установки рабочего органа 5. Действие этих сил через основание 29 передается тензометрическим балкам 22, 12 и 4 без взаимного влияния друг на друга и на установленные тензорезисторы.
Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет повысить точность измерения составляющих усилий резания за счет конструкции тензометрических балок и их консольной установки в стенде с взаимным расположением, исключающим влияние друг на друга, а также расширить функциональные возможности и повысить эффективность использования стенда за счет расширения диапазона нагрузок, благодаря усиленной конструкции тензометрических балок по сравнению со стержневыми тягами, при возможности изменять угол установки (поворота) рабочего органа в горизонтальной плоскости и угол резания относительно вертикальной оси. Это позволит не только измерить силы сопротивления резанию грунта и снежно-ледовых образований, но и выявить самые оптимальные параметры установки рабочих органов снегоуборочных и\или землеройных машин для различных свойств обрабатываемой поверхности.
При реализации изобретения достигается обусловленный указанными преимуществами технический результат, который заключается в повышении точности измерения составляющих усилия резания, в расширении функциональных возможностей стенда и в повышении эффективности его работы при изучении влияния на рабочие органы сопротивления грунтов и снежно-ледяных образований резанию под различными углами резания и углами установки рабочего органа в широком диапазоне нагрузок, а также в исключении взаимного влияния каждой составляющей усилия резания на все оставшиеся.
1. Стенд для измерения сопротивления грунтов и снежно-ледяных образований резанию, включающий раму, тензометрические балки для регистрации горизонтальной, вертикальной и боковой составляющих усилия резания, соединенные с держателем режущего органа, отличающийся тем, что в качестве тензометрических балок использованы усиленные балки с уменьшенным сечением в местах установки тензорезисторов, причем тензометрические балки выполнены в виде удлиненного параллелепипеда, снабженного вытянутым вдоль балки сквозным Н-образным пазом, и закреплены в стенде как консольные балки, при этом тензометрическая балка, регистрирующая горизонтальную составляющую усилия резания, установлена перпендикулярно к направлению движения рабочего органа с расположением осей Н-образного паза в вертикальной плоскости и жестко закреплена одним концом в П-образном кронштейне, соединенном с рамой, а другим концом указанная балка соединена с треугольным кронштейном с возможностью перемещения конца балки в горизонтальной плоскости, тензометрическая балка, регистрирующая вертикальную составляющую усилия резания, установлена перпендикулярно к направлению движения рабочего органа с расположением осей Н-образного паза в горизонтальной плоскости и жестко закреплена одним концом в треугольном кронштейне, вторым концом балка соединена с Г-образной плитой с возможностью перемещения в вертикальной плоскости, тензометрическая балка, регистрирующая боковую составляющую усилия резания, установлена параллельно к направлению движения рабочего органа с расположением осей Н-образного паза в вертикальной плоскости и жестко закреплена одним концом с Г-образной плитой, а вторым концом соединена с основанием, на котором закреплен держатель с рабочим органом, с возможностью перемещения конца балки в горизонтальной плоскости.
2. Стенд для измерения сопротивления грунтов и снежно-ледяных образований резанию по п. 1, отличающийся тем, что держатель с закрепленным на нем рабочим органом установлен на основании с возможностью изменения угла установки рабочего органа при повороте держателя в горизонтальной плоскости относительно вертикальной оси, проходящей через центр основания и середину кромки рабочего органа, а рабочий орган установлен с возможностью изменения угла резания, при этом держатель соединен с основанием с помощью болтовых соединений, диаметрально расположенных вокруг упомянутой вертикальной оси и образованных в выполненных в основании и держателе отверстиях, кроме того, держатель выполнен с жестко закрепленными кронштейнами, на которых подвешен с помощью болтовых соединений рабочий орган, при этом кронштейны снабжены равноудаленными от режущей кромки крепежными отверстиями, расположенными по радиусу поворота рабочего органа относительно режущей кромки.
