Устройство для определения диаметра вала

Полезная модель относится к специализированным устройствам вычислительной техники и может быть использована для проектирования и конструирования деталей машин и механизмов, в частности, для расчета параметров вала с учетом нормального и касательного напряжений, действующих в его критических точках, характеризующихся возникающими изгибающим и крутящим моментами в его сечении, а также, в случае замены вала на конструкцию из другого металла или металла с другой характеристикой предела текучести.

Требуемый технический результат, заключающийся в расширении функциональных возможностей, достигается в устройстве, содержащем два блока умножения, блок деления, два квадратора, сумматор, блок вычисления корня квадратного и блок вычисления корня третьей степени.

2 з.п.ф-лы, 2 ил.

Полезная модель относится к специализированным устройствам вычислительной техники и может быть использована для проектирования и конструирования деталей машин и механизмов, в частности, для расчета параметров вала с учетом нормального и касательного напряжений, действующих в его критических точках, характеризующихся возникающими изгибающим и крутящим моментами в его сечении. Также оно может использоваться для определения параметров вала при его замене на конструкцию из другого металла или металла с другой характеристикой предела текучести.

Известно устройство, содержащее блок управления, блок вычитания, два блока умножения, причем, вход П устройства соединен с управляющим входом блока управления, вход T_пр1 устройства соединен с первым информационным входом блока вычитания, вход Т_пр2 устройства соединен со вторым информационным входом блока вычитания, вход В_в устройства соединен с первым информационным входом блока умножения, вход Ц_пр устройства соединен со вторым информационным входом блока умножения, первый выход блока управления соединен с управляющим входом блока вычитания, второй выход блока управления соединен с управляющим входом блока умножения, третий выход блока управления соединен с управляющим входом блока умножения, выход блока вычитания соединен с первым информационным входом блока умножения, выход блока умножения соединен со вторым информационным входом блока умножения, выход блока умножения соединен с выходным устройством, отображения информации [RU 89255, U1, G06F 7/38, 27.11.2009].

Недостатком устройства является относительно узкие функциональные возможности.

Наиболее близким по технической сущности к предложенному является устройство, содержащее блок управления, блок вычитания, блок деления, два блока умножения, причем, вход П устройства соединен с управляющим входом блока управления, вход T_пр1 устройства соединен с первым информационным входом блока вычитания, вход Т_пр2 устройства соединен со вторым информационным входом блока вычитания, вход B_в устройства соединен с первым информационным входом блока умножения, вход Ц_пр устройства соединен со вторым информационным входом блока умножения, вход К_повт устройства соединен со вторым информационным входом блока деления, первый выход блока управления соединен с управляющим входом блока вычитания, второй выход блока управления соединен с управляющим входом блока умножения, третий выход блока управления соединен с управляющим входом блока деления, четвертый выход блока управления соединен с управляющим входом блока умножения, выход блока вычитания соединен с первым информационным входом блока умножения, выход блока умножения соединен с первым информационным входом блока деления, выход блока деления соединен со вторым информационным входом блока умножения, выход блока умножения соединен с выходным устройством отображения информации [RU 90231, U1, G06F 7/38,27.12.2009].

Недостатком наиболее близкого технического решения являются относительно узкие функциональные возможности, поскольку оно позволяет определить на этапе проектирования некоторые параметры технических систем, но не позволяет, в частности, определить такие важные параметры вала, как его диаметр с учетом возникающих в его сечении нормального и касательного напряжений.

Требуемый технический результат заключается в расширении функциональных возможностей.

Требуемый технический результат достигается тем, что, в устройство, содержащее первый и второй блоки умножения, а также блок деления, первый вход которого соединен с выходом первого блока умножения, введены первый квадратор, выход которого соединен со входом второго блока умножения, второй квадратор, сумматор, первый и второй входы которого соединены, соответственно, с выходом второго квадратора и второго блока умножения, блок вычисления корня квадратного, вход которого соединен с выходом сумматора, а выход - соединен с входом первого блока умножения, и блок вычисления корня третьей степени, вход которого соединен с выходом блока деления, а выход - является выходом устройства, причем, вход первого квадратора, вход второго квадратора и второй вход блока деления являются, соответственно, входом задания изгибающего момента, входом задания крутящего момента и входом задания предела текучести материала вала.

Кроме того, требуемый технический результат достигается тем, что, входы задания изгибающего момента и входы задания крутящего момента соединены с выходами, соответственно, датчика изгибающего момента и датчика крутящего момента, размещенных на валу.

Кроме того, в качестве датчиков изгибающего и крутящего моментов могут быть использованы электротензометрические датчики.

На фиг.1 - Функциональная схема устройства для определения диаметра вала.

На фиг.2 - Эллипс Мизеса с экспериментальными данными, по оси Y отражена зависимость , а по оси Х - зависимость .

Устройство содержит первый 1 и второй 2 блок умножения, а также блок 3 деления, первый вход которого соединен с выходом первого блока 1 умножения.

Кроме того, устройство содержит первый квадратор 4, выход которого соединен со входом второго блока 2 умножения, второй квадратор 5 и сумматор 6, первый и второй входы которого соединены, соответственно, с выходом второго квадратора 5 и второго блока умножения 2.

Устройство содержит также блок 7 вычисления корня квадратного, вход которого соединен с выходом сумматора 6, а выход - соединен с входом первого блока 1 умножения, и блок 8 вычисления корня третьей степени, вход которого соединен с выходом блока 3 деления, а выход - является выходом устройства, причем, вход первого квадратора 4, вход второго квадратора 5 и второй вход блока 3 деления являются, соответственно, входом задания изгибающего момента, входом задания крутящего момента и входом задания предела текучести материала вала.

Задание значений изгибающего момента, крутящего момента и предела текучести материала вала может производится от соответствующих блоков памяти (на чертеже не показаны), а в случае, когда устройство используется для действующих валов, например, для случая предполагаемой замены вала на конструкцию из другого металла или металла с другой характеристикой предела текучести, значения изгибающего момента и крутящего момента поступают, соответственно, от датчика 9 изгибающего момента и от датчика 10 крутящего момента, которые определяют соответствующие параметры на рабочем валу 11.

В качестве датчиков 9 и 10 могут быть использованы стандартные электротензометрические датчики. Остальные элементы устройства являются стандартными элементами устройств вычислительной техники.

Устройство функционирует следующим образом. Предварительно произведем теоретическое обоснование его работы.

Известно, что, в опасной точке контура вала действуют два взаимно перпендикулярных напряжения - нормальное и касательное.

При изгибе:

где - нормальное напряжение, М - изгибающий момент, W - момент сопротивления при изгибе, определяемый по формуле:

При кручении:

где - касательное напряжение, Т - крутящий момент, Wp - полярный момент сопротивления, определяемый по формуле:

По теории напряжений по наклонным площадкам для плоской задачи теории упругости для главных напряжений имеем:

Среднее напряжение равно:

С учетом (5) и (6) составим главные компоненты девиатора напряжений:

Для энергетической теории пластичности Максвелла, построенной по критерию постоянства удельной потенциальной энергии изменения формы имеем:

Воспользуемся тождеством:

Для девиаторной теории пластичности, построенной по критерию (8), получим условие пластичности для пространства в виде:

где - константа пластичности материала при кручении по Гесту,

_т - предел текучести материала - механическое напряжение, при превышении которого упругая деформация тела (исчезающая после снятия напряжения) переходит в пластическую (необратимую, когда геометрия тела не восстанавливается после снятия деформирующего напряжения).

Подставив равенства (7) в условие пластичности материала для пространства (10) можно получить условие пластичности материала для плоской задачи теории упругости:

Испытание образцов из различных металлов на сложное сопротивление (растяжение с кручением) с большой точностью (фиг.2) подтверждает закон закономерность, описываемую формулой (11), называемый эллипсом Мизеса.

Используя соотношения (1)(4) и (11) нетрудно получить расчетное соотношение для определения диаметра вала для целей проектирования и конструирования:

где d - диаметр вала, мм;

[]=_т - допускаемое напряжение при изгибе, МПа, равное в рассматриваемом случае пределу текучести материала;

М - изгибающий момент, Н·м;

Т - крутящий момент, Н·м.

Определение диаметра вала с учетом нормального и касательного напряжений, которые проявляются через изгибающий и крутящий моменты в сечении вала, в предложенном устройстве осуществляется в соответствии с соотношением (12) следующим образом.

При проектировании вала на вход первого квадратора 4, вход второго квадратора 5 и второй вход блока 3 деления подаются от внешнего блока памяти или иного генератора исходных данных (на чертеже не показаны), соответственно, данные о значении изгибающего момента М, значение крутящего момента Т и значение предела текучести материала _т. При решении задачи замены вала на конструкцию из другого металла или металла с другой характеристикой предела текучести значения изгибающего момента М и значение крутящего момента Т поступают от соответствующих датчиков 9 и 10, которые определяют эти параметры на рабочем валу 11. Эти данные получаются, например, при электротензометрировании вала 11, когда электротензометрические датчики 9 и 10 устанавливаются (крепятся, монтируются) в расчетных точках (например, в опасных сечениях, в том числе местах изменения сечения вала), а также в средней части вала, опорных точках и т.д).

На выходах первого 4 и второго 5 квадраторов формируются, соответственно, значения квадратов изгибающего момента М и крутящего момента Т, которые суммируются в сумматоре 6 после умножения на постоянный коэффициент квадрата крутящего момента Т во втором блоке 2 умножения. Из результатов суммирования в блоке 7 вычисляется значение квадратного корня, которое умножается на постоянный коэффициент в первом блоке 1 умножения. Выходная величина первого умножителя 1 делится на _т в блоке 3 деления, что позволяет получить на выходе блока 8 вычисления корня третьей степени искомое значение диаметра вала d.

Таким образом, благодаря усовершенствованию известного устройства расширяются его функциональные возможности, в результате чего удается определить на этапе проектирования или предполагаемой замены помимо некоторых параметров технических систем и такие важные параметры вала, как его диаметр с учетом нормального и касательного напряжений, действующих в его критических точках, характеризующихся возникающими изгибающим и крутящим моментами в его сечении.

1. Устройство для определения диаметра вала, содержащее первый и второй блоки умножения, а также блок деления, первый вход которого соединен с выходом первого блока умножения, отличающееся тем, что в него дополнительно введены первый квадратор, выход которого соединен со входом второго блока умножения, второй квадратор, сумматор, первый и второй входы которого соединены соответственно с выходом второго квадратора и второго блока умножения, блок вычисления корня квадратного, вход которого соединен с выходом сумматора, а выход соединен с входом первого блока умножения, и блок вычисления корня третьей степени, вход которого соединен с выходом блока деления, а выход является выходом устройства, причем вход первого квадратора, вход второго квадратора и второй вход блока деления являются, соответственно, входом задания изгибающего момента, входом задания крутящего момента и входом задания предела текучести материала вала, при этом диаметр вала определяют из полученных показателей изгибающего и крутящего моментов по следующей формуле:

,

где d - диаметр вала, мм;

[]=_т - допускаемое напряжение при изгибе, МПа, равное в рассматриваемом случае пределу текучести материала;

М - изгибающий момент, Н·м;

Т - крутящий момент, Н·м.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что входы задания изгибающего момента и входы задания крутящего момента соединены с выходами размещенных на валу датчика изгибающего момента и датчика крутящего момента соответственно.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в качестве датчиков изгибающего и крутящего моментов использованы электротензометрические датчики.