Способ измерения усилий

(71) Всесоюзный научно-исследовательский институт металлургической теплотехники (72) И.М.Дисте р гефт, А, В. Е гс ров, В, М В р ы ксин и В.М.Двинский(56) Авторское свидетельс 1 во СССРГч. 311153, кл кл. 6 01 О . /13, 1969Ггегегс .Я. Озе оТ цИгазопс зигТасе уудуез и ТЬе сеСегппатоп М гезОца зтгеез и Т 1 е таз, АЯА, 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 состояние 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 конкоетного применения способа,19) Я 3 1) "1 62428 1 А 1(54, СГАСОВ ЧЗМЕРГ "УСИЛИЙ (57, Чзобрете; ие относится к контрольноизмерительной технике и мсхет быть ис:гл аовано для измерения статических и д" 1:.мических усилий в мегаллургической, машиностроительной и др, отраслях проь,ышленности,елью изоЬретения является повышение надежности чувствительности и расширение функциональных ьо можностей, Цель достигается выполнением чувст ви;ельного элемента из двух твердых тел с зоной контакта ме кду 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 (Г) число пятен касания невелико(Аг. А,2, .А,л), а зазоры обширны и занимают большую часть номинальной площади касания тел. В этом случае зона контакта в основном отражэет упругие волн., а пятна касания являются дифрагирующими элементами.С увеличением усилий (й 2М) число пятен касания и их размеры увеличиваются. что приьодит к уменьшению отражения уп. ругих волн.При больших усилиях (Мз ъ М 2) сближение твердых тел настолько велико, что упругая волна почти целиком проходи. через сплошную гоаницу раздела (А, ), незначительно р.ссеиваясь на замкн, тых зазорах.5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 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 б 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 М, 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 Овх, поступающие на вход усилителя б, Далее они усиливаются, детектируются детектором 7 и приводятся нормализатором 8 к виду, удобному для дальнейшей обработки,На выходе нормализатора 8 появляется однополярный сигнал О, уровень которого пропорционален амплитуде импульсов на входе усилителя б (Оех). Источник 11 выдает сигнал той же полярности О, уровень которого пропорционален Ох при отсутствии усилия на тела 1 и 2.На выходе блока деления 10 появляется сигнал О = О /О, уровень которого характеризует изменения физических свойств чувствительного элемента, в данном случае - акустических свойств эоны контакта твердых тел, Блок 12 обрабатывает сигнал О" 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 О = О /О = 1(М) 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 - б. Измерения проводятся по фиг, 2. При этом тело 1 изготавливают в виде стержня круглого сечения диаметром 8 мм и длиной 80 мм из стали ЗОХГСА с термообработанным и шлифованным до Ва = 0,15 мкм торцом, который выбирают в качестве одной из контактирующих поверхностей. На другом торце крепится пьеэопреобраэователь из пьеэокерамики ЦТС - 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 О" = =О /О = 1(й) для контакта сталь - сталь, В качестве тела 2 используют образцы из стали 45, обработанные шлифованием до Р- = 1,1 мкм (кривая а), Ва = 0,62 мкм (кривая б), Р = 0,32 мкм (кривая в), Вд = 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 О" = =О /О = ЦМ) для контакта сталь - цветные металлы, Образцы из дюралюминия Добрабатывают строганием до В, = 1,85 мкм (кривая а), из меди МОО - до Вз = 2 мкм (кривая б ), иэ алюминия АДОО - до Ва ==8,5 мкм (кривая в ) и до Яа = 3,5 мкм (криваяг), Линии 1-1, 2-2, 3-3 соответствуют минимальным значениям О при полном контакте тел 1 и 2 и характеризуют отражениеупругих волн от зоны контакта вследствие 5различия акустических свойств материалов,Видно, что чувствительность датчиков изразнородных материалов различна,Чувствительность датчиков при высоких удельных нагрузках в зоне контакта может быть изменена при введении в неежидкости.На фиг. 5 показаны зависимости О"-О /О - т(й) для сухого контакта сталь -сталь и в случае заполнения зоны контакта 15жидкостями. В качестве тела 2 используютобразец из стали 10 с поверхностью, строганой до В = 3,5 мкм. Сухому контакту соответствует кривая е. Для заполнения зоныконтакта веретенным маслом (кривая ж) и 20смазкой П"Брайтсток" (кривая э) характерно существенное изменение чувствительности в сторону ее увеличения. На фиг. 6 показаны зависимости О" = 25 =О /О = т(М) для контакта сталь - сталь, когда тела 1 и 2, изготовленные из стали 45 с одинаковой обработкой контактных поверхностей шлифованием до Вэ = 1,35 мкм, сжимаются усилиями М при температурах 30 соответственно 100 С (криеая 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 чэмерею . усилий при прессовани на гидроп ресс алюминиевых образцов иэ АДс чистотой поверхности В,. - 6,5 мкм,На фиг, 7 показана схема уста:овки, где изображены гидропресс 14, поршень 15 гидропресса, образец 16 иэ алюминия АДОО, боек 17 из стали ЗОХГСА, пьезодатчик 18 из керамики ЦТС, контрольные тензорезисторы 19, тензометрическая контрольная аппаратура 20, манометр 21 для замера давлений под псршчем гидропреса. Формула изобретения 1. Способ измерения усилий, заключающийся в том, что вдоль силочуаствительной оси чувствительного элемеча пропускают упругую волну и определяю. величину усилия,отл ича ю щийс я тем, что, с целью повышения надежности, в качестве чувствительногоцемента используют твердые тела с зоной контакта между ними, а величину силы определяют по отношению амплитуды когебаний отраженной или прошедшеи через зону контакта упругой волны к величине амплитуды колебаний иэлученной упр,;ой волны.2. Способ по и. 1, о тл и ч а ю щи й с я тем, что, с целью расширения функциональных возможностей эа сче измерения знакопеременных усилий, осуществляют предварительное сжатие зоны контакта.3. Способ по и. 1, отл ич а ю щи йс я тем, что, с целью увеличения чувствительности, в зону контакта вводят жидкость.. 01 юф тафю,10 ф гоф.т Фю оставитель А, Экономов Редактор И, Касарда Техред М,Моргентал Коррек скид Заказ 182 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж, Раушская наб 4/5 роизводственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 10 й) 1 1 Оф га ИО ЧЮ 45.афн,н фиг, Х г-,( 1