Вставка для измерения деформации нагружаемого элемента конструкции

Полезная модель относится к измерительной технике и может быть использована в измерительных, сигнальных, регулирующих или управляющих системах. Вставка для измерения деформации нагружаемого элемента конструкции содержит приемник деформации, фиксатор приемника деформации в полости нагружаемого элемента конструкции, снабженный разжимным приспособлением, преобразователь контролируемой величины в электрический сигнал и механический трансформатор перемещения, связывающий приемник деформации с преобразователем контролируемой величины в электрический сигнал. Приемник деформации соединен с фиксатором приемника деформации в двух точках, что препятствует перемещению приемника деформации относительно фиксатора под воздействием динамических нагрузок. Технический результат - повышение точности измерения, снижение трудоемкости монтажа и демонтажа вставки, и повышение технологичности ее изготовления. 10 з.п. ф-лы, 8 илл.

Область техники

Полезная модель относится к измерительной технике и может быть использована в измерительных, сигнальных, регулирующих или управляющих системах, в частности, в системах управления и защиты от перегрузок грузоподъемных кранов.

Уровень техники

Известны вставки для измерения деформации нагружаемого элемента конструкции, используемые в системах управления и защиты от перегрузок грузоподъемных кранов (патенты: FR 2346278, B66C 23/90, G01L 1/22, 28.10.1977; GB 2031594 A, G01L 1/22, 23.04.1980; RU 99473 U1, B66C 23/88, B66C 15/00, 20.11.2010). Данные вставки выполнены в виде оси шарнирного узла кранового оборудования. Ось представляет собой упругий силовоспринимающий элемент с закрепленными на нем тензорезисторами, соединенными в мостовую схему, сигнал с которой поступает на управляющее устройство грузоподъемного крана.

Такие измерительные вставки (оси-датчики усилия) являются составной частью шарнирного узла кранового оборудования, что затрудняет монтаж датчика усилия на грузоподъемном кране при его изготовлении, а также при необходимости замены датчика в процессе эксплуатации крана. Например, в кране-манипуляторе по патенту GB 2031594 для замены датчиков усилия требуется предварительная установка и фиксация элементов стрелового механизма для разгрузки шарнирных соединений и разборка шарниров. Поэтому такому техническому решению свойственна высокая трудоемкость монтажа и замены датчика усилия. Кроме того, из-за необходимости обеспечения достаточного запаса прочности силовоспринимающего элемента (оси) приходится ограничивать максимальную деформацию этого элемента, что ограничивает чувствительность датчика.

Известна также измерительная вставка в ось шарнирного узла кранового оборудования, например, в ось блоков грузозахватного органа. Вставка содержит приемник деформации и преобразователь контролируемой величины в электрический сигнал. Ось блоков грузозахватного органа выполняется с осевым отверстием, образующим полость для установки измерительной вставки (RU 90773 U1, B66C 23/88, 20.01.2010).

Установка данной вставки, в частности, в полость оси блоков грузозахватного органа, обеспечивает повышенную точность измерения нагрузки на грузозахватном органе и обеспечивает возможность ее замены при необходимости без разборки грузоподъемного механизма. Однако конструкция вставки не обеспечивает возможность замены ее составных частей без полной выемки вставки из полости оси, что ограничивает ее ремонтопригодность. Кроме того, точность измерения с помощью известной вставки может снижаться со временем из-за возможных ее смещений относительно оси под действием циклических нагрузок на ось, вибрации и других факторов, так как для ее фиксации нельзя использовать посадки с натягом, клеевые соединения и подобные неразборные соединения. Поэтому монтаж вставки в полости оси шарнирного узла кранового оборудования связан с повышенными требованиями к точности выполнения осевого отверстия под измерительную вставку и к точности изготовления самой вставки, так как вставка после ее установки в ось должна составлять с ней одно целое для восприятия деформации оси под действием усилия на грузозахватный орган. Возможно, существуют другие способы решения данной проблемы, однако, в материалах патента на эту тему нет соответствующих указаний. Конструкция известной вставки не обеспечивает также высокой точности измерения при действии малых нагрузок, так как при таких нагрузках величина деформации оси, в которой установлена вставка, становится соизмеримой с погрешностью формы и размеров самой вставки и отверстия, в котором она установлена. Кроме того, недостатком известного технического решения является ограниченная чувствительность вставки, так как измеряемая деформация соответствует величине деформации оси, в которой она установлена.

Наиболее близкой к предлагаемой полезной модели по совокупности существенных признаков является вставка для измерения деформации нагружаемого элемента конструкции, содержащая приемник деформации, фиксатор приемника деформации в полости нагружаемого элемента конструкции, снабженный разжимным приспособлением, преобразователь контролируемой величины в электрический сигнал, и механический трансформатор перемещения, связывающий приемник деформации с преобразователем контролируемой величины в электрический сигнал. Приемник деформации выполнен в виде двух связанных с механическим трансформатором перемещения оппозитно расположенных воспринимающих элементов, контактирующих с поверхностью полости нагружаемого элемента конструкции и соединенных между собой посредством упругой связи, обеспечивающей возможность их перемещения в направлении измеряемых деформаций нагружаемого элемента конструкции. Один из воспринимающих элементов приемника деформации связан с фиксатором приемника деформации. Фиксатор приемника деформации выполнен в виде двух соединенных с разжимным приспособлением оппозитно расположенных упорных элементов, контактирующих с поверхностью полости нагружаемого элемента конструкции и соединенных между собой посредством упругой связи, обеспечивающей возможность их перемещения в направлении, перпендикулярном направлению измеряемых деформаций нагружаемого элемента конструкции, и снабжен первым стыковочным элементом, прикрепленным к одному из воспринимающих элементов приемника деформации и связанным с его упорными элементами посредством упругой связи, обеспечивающей возможность перемещения первого стыковочного элемента в направлении измеряемых деформаций нагружаемого элемента конструкции. Механический трансформатор перемещения выполнен в виде первого четырехзвенника, входная пара звеньев которого связана с воспринимающими элементами приемника деформации, а выходная пара звеньев снабжена концевыми элементами, связанными с преобразователем контролируемой величины в электрический сигнал. Разжимное приспособление представляет собой разрезной раздвижной элемент, одни концы которого связаны с упорными элементами фиксатора, а другие концы связаны между собой, при этом в торце разрезного раздвижного элемента со стороны его связанных концов выполнено резьбовое отверстие, в которое ввернут винт с возможностью раздвижения концов разрезного раздвижного элемента, связанных с упорными элементами фиксатора. Первый четырехзвенник снабжен средством для разведения воспринимающих элементов приемника деформации в виде пружин растяжения, связывающих концевые части выходной пары звеньев первого четырехзвенника (RU 106951 U1, G01L 1/04, 27.07.2011).

Точность измерения с помощью данной вставки может снижаться из-за возможных ее смещений относительно полости нагружаемого элемента конструкции под действием динамических нагрузок, возникающих, например, при ударах и вибрации, так как приемник деформации связан с фиксатором практически только в одной точке, что не позволяет исключить угловое перемещение приемника деформации в условиях воздействия указанных факторов.

Другим недостатком данного устройства является необходимость использования специального приспособления для извлечения разжимного приспособления из фиксатора приемника деформации при демонтаже вставки из глубоких отверстий.

Кроме того, использование двух цилиндрических пружин растяжения, закрепляемых на кронштейнах, устанавливаемых на концах выходной пары первого четырехзвенника, снижает надежность при воздействии ударов и вибрации и повышает трудоемкость ее монтажа.

Раскрытие полезной модели

Задачей, на решение которой направлена предлагаемая полезная модель, является разработка вставки для измерения деформации нагружаемого элемента конструкции, обладающей повышенной точностью измерения в условиях воздействия динамических нагрузок. Другой задачей, на решение которой направлена предлагаемая полезная модель, разработка вставки с пониженной трудоемкостью ее монтажа и демонтажа в нагружаемом элементе конструкции.

Дополнительные решаемые задачи и преимущества предлагаемой полезной модели будут понятны из последующего описания.

Для решения поставленных задач предлагается вставка для измерения деформации нагружаемого элемента конструкции, содержащая приемник деформации, фиксатор приемника деформации в полости нагружаемого элемента конструкции, снабженный разжимным приспособлением, преобразователь контролируемой величины в электрический сигнал; и механический трансформатор перемещения, связывающий приемник деформации с преобразователем контролируемой величины в электрический сигнал, при этом приемник деформации выполнен в виде двух связанных с механическим трансформатором перемещения оппозитно расположенных воспринимающих элементов, контактирующих с поверхностью полости нагружаемого элемента конструкции и соединенных между собой посредством упругой связи, обеспечивающей возможность их перемещения в направлении измеряемых деформаций нагружаемого элемента конструкции, и один из воспринимающих элементов приемника деформации связан с фиксатором приемника деформации, фиксатор приемника деформации выполнен в виде двух соединенных с разжимным приспособлением оппозитно расположенных упорных элементов, контактирующих с поверхностью полости нагружаемого элемента конструкции и соединенных между собой посредством упругой связи, обеспечивающей возможность их перемещения в направлении, перпендикулярном направлению измеряемых деформаций нагружаемого элемента конструкции, и снабжен первым стыковочным элементом, прикрепленным к одному из воспринимающих элементов приемника деформации и связанным с его упорными элементами посредством упругой связи, обеспечивающей возможность перемещения первого стыковочного элемента в направлении измеряемых деформаций нагружаемого элемента конструкции, а механический трансформатор перемещения выполнен в виде первого четырехзвенника, входная пара звеньев которого связана с воспринимающими элементами приемника деформации, а выходная пара звеньев снабжена концевыми элементами, связанными с преобразователем контролируемой величины в электрический сигнал, в которой, согласно полезной модели, приемник деформации снабжен вторым стыковочным элементом, прикрепленным к одному из упорных элементов фиксатора приемника деформации и связанным с воспринимающими элементами посредством упругой связи, обеспечивающей возможность перемещения второго стыковочного элемента в направлении, перпендикулярном измеряемым деформациям нагружаемого элемента конструкции.

Решению поставленных задач служат также частные существенные признаки полезной модели.

Упорные элементы фиксатора приемника деформации представляют из себя две губки с односторонне смещенными встречно направленными выступами, а упругая связь между ними образована двумя упругими параллелограммными подвесками, расположенными в одной плоскости и установленными друг относительно друга по встречно-последовательной схеме, каждая из которых состоит из двух упругих балок, одними концами закрепленных к выступу соответствующей губки, а другими концами закрепленных к расположенному между губками первому плавающему элементу, связанному с первым стыковочным элементом посредством упругой развязки, обеспечивающей возможность перемещения первого стыковочного элемента относительно первого плавающего элемента вдоль балок упругих параллелограммных подвесок.

Все элементы фиксатора приемника деформации выполнены за одно целое, в виде пластины, в которой выполнены две однонаправленные прорези и расположенная между ними и параллельная им встречно направленная прорезь, отделяющие губки от плавающего элемента, первого стыковочного элемента и упругих параллелограммных подвесок, а также губки и упругие параллелограммные подвески друг от друга, при этом первый плавающий элемент связан с первым стыковочным элементом двумя встречно направленными П-образными упругими элементами, образованными Н-образной прорезью и двумя встречно направленными прямыми прорезями, выполненными в указанной пластине.

Воспринимающие элементы приемника деформации представляют из себя две губки с односторонне смещенными встречно направленными выступами, а упругая связь между ними образована двумя упругими параллелограммными подвесками, расположенными в одной плоскости и установленными друг относительно друга по встречно-последовательной схеме, каждая из которых состоит из двух упругих балок, одними концами закрепленных к выступу соответствующей губки, а другими концами закрепленных к расположенному между губками второму плавающему элементу, связанному со вторым стыковочным элементом посредством упругой развязки, обеспечивающей возможность перемещения второго стыковочного элемента относительно плавающего элемента вдоль балок упругих параллелограммных подвесок.

Все элементы приемника деформации выполнены за одно целое, в виде пластины, в которой выполнены две однонаправленные прорези и расположенная между ними и параллельная им встречно направленная прорезь, отделяющие губки от второго плавающего элемента, второго стыковочного элемента и упругих параллелограммных подвесок, а также губки и упругие параллелограммные подвески друг от друга, при этом второй плавающий элемент связан со вторым стыковочным элементом двумя встречно направленными П-образными упругими элементами, образованными Н-образной прорезью и двумя встречно направленными прямыми прорезями, выполненными в указанной пластине.

Первый четырехзвенник включает в себя два расположенных напротив друг друга двуплечих рычага с различным соотношением длин плеч, шарнирно соединенных между собой с помощью гибкого элемента, выполненного за одно целое с двуплечими рычагами, при этом одна пара плеч двуплечих рычагов образуют входную пару звеньев первого четырехзвенника, а другая - его выходную пару звеньев.

Первый четырехзвенник выполнен в виде плоского прямого бруска, на продольной оси которого выполнены два близкорасположенных отверстия и две встречно направленные продольные прорези от торцов бруска до указанных отверстий, с образованием двух расположенных напротив друг друга двуплечих рычагов и соединяющего их гибкого элемента в виде перемычки между указанными отверстиями.

Разжимное приспособление выполнено в виде второго четырехзвенника из бруска, в котором выполнены два встречно направленных паза, с образованием двух расположенных напротив друг друга двуплечих рычагов и соединяющего их гибкого элемента, при этом в первой паре звеньев второго четырехзвенника выполнено осевое резьбовое отверстие и их концевые части связаны с упорными элементами фиксатора приемника деформации, концевые части второй пары звеньев выполнены с наклонными внутренними поверхностями, а в указанное резьбовое отверстие ввернут винт, выполненный с возможностью раздвижения его резьбовой частью концевых частей первой пары звеньев второго четырехзвенника, и возможностью сведения их с помощью головки винта при его выворачивании из указанного резьбового отверстия.

В первой паре звеньев второго четырехзвенника выполнены два встречно направленных паза, в которых закреплены сухари, выполненные из материала, обладающего повышенной прочностью и износостойкостью, а в сухарях выполнено отверстие под концевую часть винта.

Первый четырехзвенник снабжен средством для разведения воспринимающих элементов приемника деформации, представляющим собой упругую рамку, закрепленную на концевых частях выходной пары звеньев первого четырехзвенника.

Элементы упругой рамки выполнены за одно целое в виде пластины, имеющей на боковых сторонах параллельные встречно направленные прорези, образующие зигзагообразные пружины.

Суть полезной модели состоит во введении дополнительной точки соединения приемника деформации с фиксатором приемника деформации, препятствующей перемещению приемника деформации относительно фиксатора под воздействием динамических нагрузок, что повышает точность измерения.

Выполнение разжимного приспособления в виде второго четырехзвенника с винтом, который разжимает либо одни, либо другие концы второго четырехзвенника (в зависимости от направления его вращения), обеспечивает простое извлечение вставки из отверстия в нагружаемом элементе конструкции без использования специальных приспособлений, что снижает трудоемкость процесса демонтажа предлагаемой вставки.

Выполнение средства для разведения воспринимающих элементов приемника деформации в виде упругой рамки, закрепленной на концевых частях выходной пары звеньев первого четырехзвенника, повышает надежность ее крепления на трансформаторе перемещения, а изготовление упругой рамки из целой пластины с параллельными встречно направленными прорезями, образующими зигзагообразные пружины, обеспечивает единство технологии при изготовлении всех составных частей предлагаемой вставки.

Приведенные далее описание предлагаемой вставки для измерения деформации нагружаемого элемента конструкции и сопровождающие чертежи предназначены только для иллюстрации полезной модели и ни в коем случае не ограничивают объема формулы полезной модели.

Краткое описание чертежей

На фиг.1 показано размещение предлагаемой вставки в полости нагружаемого элемента конструкции, выполненной в виде цилиндрического отверстия, на фиг.2 - внешний вид измерительной вставки с фиксатором, условно отделенным от приемника деформации; на фиг.3 - конструкция приемника деформации (разрез A-A на фиг.1); на фиг.4 и 5 - конструкция фиксатора приемника деформации, снабженного разжимным приспособлением (разрезы B-B и C-C на фиг.1); на фиг.6 - конструкция преобразователя контролируемой величины в электрический сигнал (вид D на фиг.1); на фиг.7 - деформация цилиндрической полости в нагружаемом элементе конструкции под действием сжимающего усилия; на фиг.8 -конструкция упругой рамки.

Осуществление полезной модели

Предлагаемая вставка содержит: приемник 1 деформации, расположенный в полости 2 нагружаемого элемента 3 конструкции; фиксатор 4 приемника 1 деформации, снабженный разжимным приспособлением 5; преобразователь 6 контролируемой величины в электрический сигнал, вынесенный за пределы полости 2; и механический трансформатор 7 перемещения, связывающий приемник 1 деформации с преобразователем 6 контролируемой величины в электрический сигнал.

Приемник 1 деформации выполнен в виде двух связанных с механическим трансформатором 7 перемещения оппозитно расположенных воспринимающих элементов, контактирующих с поверхностью полости 2 нагружаемого элемента 3 конструкции и соединенных между собой посредством упругой связи, обеспечивающей возможность их перемещения в направлении измеряемых деформаций нагружаемого элемента конструкции.

Воспринимающие элементы представляют собой две губки 8 и 9, имеющие в плане форму сегмента с периферийно расположенными на их хордах встречно направленными выступами 10 и 11. Упругая связь между воспринимающими элементами образована двумя упругими параллелограммными подвесками, расположенными в одной плоскости и установленными друг относительно друга по встречно-последовательной схеме. Каждая упругая параллелограммная подвеска состоит из двух упругих балок 12, одними концами закрепленных к выступу 10 (11) соответствующей губки 8 (9), а другими концами закрепленных к расположенному между губками 8 и 9 плавающему элементу 13. Губки 8 и 9 приемника 1 деформации и элементы упругой связи между ними выполнены за одно целое из пластины, в которой выполнены две однонаправленные прорези 14 и расположенная между ними и параллельная им встречно направленная прорезь 15, отделяющие губки 8 и 9 от плавающего элемента 13 и упругих параллелограммных подвесок, а также губки и упругие параллелограммные подвески друг от друга.

Приемник 1 деформации снабжен стыковочным элементом 16 для соединения с фиксатором приемника деформации. Плавающий элемент 13 связан со стыковочным элементом 16 двумя встречно направленными П-образными упругими элементами 17, образованными Н-образной прорезью 18 и двумя встречно направленными прямыми прорезями 19, выполненными в указанной пластине. Такая связь обеспечивает возможность перемещения стыковочного элемента 16 относительно плавающего элемента 13 вдоль балок 12 упругих параллелограммных подвесок.

Губки 8 и 9 приемника деформации контактируют с поверхностью полости 2 с помощью двух диаметрально расположенных контактирующих элементов, выполненных в виде выступов 20 и 21 на внешней цилиндрической поверхности губок 9 и 8. Выполнение вставки, приспособленной для установки в полость нагружаемого элемента конструкции, выполненную виде цилиндрического отверстия, обеспечивает технологичность изготовления элементов вставки и полости, в которой она установлена, а также дает возможность использовать ее в пустотелых осях шарнирных узлов кранового оборудования для повышения точности измерения нагрузки на крановое оборудование, и, в частности, для определения нагрузки непосредственно на грузозахватном органе.

Фиксатор 4 приемника 1 деформации выполнен в виде двух соединенных с разжимным приспособлением 5 оппозитно расположенных упорных элементов, контактирующих с поверхностью полости 2 нагружаемого элемента 3 и соединенных между собой посредством упругой связи, обеспечивающей возможность их перемещения в направлении, перпендикулярном направлению измеряемых деформаций нагружаемого элемента конструкции.

Упорные элементы фиксатора 4 представляют собой две губки 22 и 23 с встречно направленными выступами 24 и 25, а упругая связь между ними образована двумя упругими параллелограммными подвесками, расположенными в одной плоскости и установленными друг относительно друга по встречно-последовательной схеме. Каждая из упругих параллелограммных подвесок состоит из двух упругих балок 26, одними концами закрепленных к выступу 24 (25) соответствующей губки 22 (23), а другими концами закрепленных к расположенному между губками 22 и 23 плавающему элементу 27. Все элементы фиксатора 4 так же, как и элементы приемника 1 деформации, выполнены за одно целое из пластины, в которой выполнены две однонаправленные прорези 28 и расположенная между ними и параллельная им встречно направленная прорезь 29, отделяющие губки 22 и 23 от плавающего элемента 27 и упругих параллелограммных подвесок, а также губки и упругие параллелограммные подвески друг от друга.

Фиксатор 4 снабжен стыковочным элементом 30 для соединения с приемником 1 деформации. При этом плавающий элемент 27 фиксатора 4 связан со стыковочным элементом 30 двумя встречно направленными П-образными упругими элементами 31, образованными Н-образной прорезью 32 и двумя встречно направленными прямыми прорезями 33. Такая связь обеспечивает возможность перемещения стыковочного элемента 30 относительно плавающего элемента 27 вдоль балок 26 упругих параллелограммных подвесок.

Воспринимающий элемент 9 приемника 1 деформации связан со стыковочным элементом 30 фиксатора 4 приемника деформации через прокладку 34, а стыковочный элемент 16 приемника деформации 1 связан с упорным элементом 23 фиксатора 4 приемника деформации через прокладку 35.

Разжимное приспособление 5 выполнено из бруска в виде четырехзвенника. В бруске выполнены два встречно направленных паза 36 и 37, с образованием двух расположенных напротив друг друга двуплечих рычагов 38 и соединяющего их гибкого элемента 39. Концевые части 40 и 41 первой пары звеньев связаны соответственно с упорными элементами 22 и 23 фиксатора 4 приемника 1 деформации, а концевые части 42 и 43 второй пары звеньев выполнены с наклонными внутренними поверхностями 44. В первой паре звеньев четырехзвенника выполнены два встречно направленных паза 45, в которых закреплены с помощью винтов 46 сухари 47, выполненные из материала, обладающего повышенной прочностью и износостойкостью, при этом в первой паре звеньев четырехзвенника и в сухарях 47 выполнено осевое резьбовое отверстие 48, в которое ввернут винт 49 с головкой 50 в виде тела вращения, выполненный с возможностью раздвижения его резьбовой частью концевых частей 40 и 41 первой пары звеньев четырехзвенника, и возможностью сведения их с помощью головки 50 винта 49, взаимодействующей с наклонными внутренними поверхностями 44, при его выворачивании из резьбового отверстия 48.

Механический трансформатор 7 перемещения выполнен так же, как и в патенте заявителя RU 106951 U1, в виде плоского прямого бруска, на продольной оси которого выполнены два близкорасположенных отверстия 51, а также две встречно направленные продольные прорези 52 и 53 от торцов бруска до отверстий 51, с образованием двух расположенных напротив друг друга двуплечих рычагов 54 и 55, имеющих равные или разные длины плеч, и соединяющего их гибкого элемента 56 в виде перемычки между отверстиями 51. Одна пара плеч двуплечих рычагов образуют входную пару 57 звеньев четырехзвенника, а другая - его выходную пару 58. Входная пара 57 звеньев четырехзвенника связана с губками 8 и 9 приемника 1 деформации, а выходная пара 58 звеньев четырехзвенника снабжена концевыми элементами 59 и 60. Концевые элементы 59 и 60 выполнены в виде оппозитно расположенных уголков, одни из полок которых жестко закреплены на указанных звеньях, а в других полках выполнены встречно направленные пазы 61, в которых закреплен преобразователь 6 контролируемой величины в электрический сигнал.

Четырехзвенник снабжен средством для разведения воспринимающих элементов приемника деформации, представляющим собой упругую рамку 62, закрепленную на концевых частях выходной пары 58 звеньев. Элементы упругой рамки 62 выполнены за одно целое в виде пластины, имеющей на боковых сторонах параллельные встречно направленные прорези 63, образующие зигзагообразные пружины 64.

Преобразователь 6 контролируемой величины представляет собой тензометрическое устройство для измерения линейного перемещения концевых элементов 59 и 60. Конструкция преобразователя 6 не является предметом полезной модели, его целесообразно выполнить так же, как это показано в патенте заявителя RU 106951 U1. Преобразователь 6 содержит: расположенный в плоскости, перпендикулярной продольной оси вставки, упругий элемент 65, включающий в себя два плеча 66 и 67, выполненных с утонениями 68 на их захватных участках 69 и 70, образующими упругие шарниры, и встречно направленными выступами 71 и 72; плавающий элемент 73, расположенный между плечами 66 и 67 упругого элемента 65; и две пары упругих балок 74, соединяющих плавающий элемент 73 со встречно направленными выступами 71 и 72 первого 66 и второго 67 плеч упругого элемента 65 с образованием соответственно первой и второй упругих параллелограммных подвесок, расположенных в одной плоскости и установленных друг относительно друга по встречно-последовательной схеме. Плечи 66 и 67 упругого элемента 65, плавающий элемент 73 и упругие параллелограммные подвески выполнены за одно целое в виде прямоугольной пластины. В пластине выполнены две однонаправленные прорези 75 и расположенная между ними и параллельная им встречно направленная прорезь 76, отделяющие плечи 66 и 67 от плавающего элемента 73 и упругих параллелограммных подвесок, а также плечи и упругие параллелограммные подвески друг от друга. Внутри первой параллелограммной подвески между ее упругими балками 74 размещена параллельная им упругая измерительная балочка 77 из монокристалла кремния со сформированными на ней тензорезисторами, соединенными в электрический мост (на чертеже не показаны), имеющая концевые полки 78 и 79. Концевая полка 78 связана с плавающим элементом 73, а концевая полка 79 связана с выступом 71 первого плеча 66 упругого элемента 65. Причем одна из указанных связей выполнена жесткой, а другая - через поводок 80. При этом выступ 71 первого плеча 66 и плавающий элемент 73 упругого элемента 65 выполнены с двумя внутренними консолями 81 и 82. Поводок 80 изготовлен за одно целое с консолью 81 выступа 71 и включает в себя платформу 83 и упругую тягу, соединяющую платформу 83 с консолью 81. Упругая тяга выполнена в виде двух лент 84 толщиной 80-120 мкм, соединяющих платформу 83 с консолью 81 с образованием ленточной параллелограммной подвески. Упругая измерительная баночка 77 закреплена концевой полкой 79 на платформе 83, а концевой полкой 78 - на консоли 82 плавающего элемента 73. Полка первого плеча 66 упругого элемента 65 и плавающий элемент 73 соединены между собой с помощью замка с возможностью перемещения первого плеча 66 в пределах гарантированного зазора. Замок выполнен в виде Г-образного выступа 85 на полке первого плеча 66 и ответного выреза на плавающем элементе 73, в котором размещен указанный выступ 85. Захватные участки 69 и 70 плеч 66 и 67 упругого элемента 65 закреплены внутри пазов 61 концевых элементов 59 и 60 выходной пары 58 звеньев четырехзвенника с помощью винтов 86 и 87 с коническими концами.

Тензометрическое устройство снабжено защитным кожухом, закрепленным на деформируемом элементе 3 конструкции, и заглушкой, изолирующей полость нагружаемого элемента конструкции с противоположной стороны от воздействия внешней среды (на фиг.1 условно не показаны). Защитный кожух снабжен разъемом или гермовводом для подключения к управляющему устройству с помощью проводной линии связи, либо вставка может подключаться к управляющему устройству с помощью беспроводной линии связи.

При выполнении вставки с цифровым выходом в полости кожуха размещается блок обработки сигналов с измерительной диагонали тензомоста в виде печатной платы, на которой смонтированы усилитель сигналов, микроконтроллер с энергонезависимым запоминающим устройством и схема согласования с линией связи, преобразующая цифровые сигналы микроконтроллера в цифровой код последовательного интерфейса (на чертеже не показаны). На донной части кожуха может быть установлен датчик температуры в виде терморезистора, подключенный к дополнительному входу микроконтроллера для осуществления температурной компенсации выходного сигнала измерительной вставки.

Вставка дополнительно может быть снабжена элементами для защиты от напряжения обратной полярности, перенапряжения, короткого замыкания выхода и импульсных помех по цепи питания и линии связи с управляющим устройством. Данные элементы предотвращают выход из строя электронных компонентов предлагаемой вставки и других приборов системы безопасности грузоподъемного крана, а также повышает надежность передачи данных между данными приборами.

Реализация блока обработки сигналов с измерительной диагонали электрического моста может быть произведена по известным правилам и не представляет труда для специалистов в данной области.

Электропитание элементов тензометрического устройства может осуществляться от бесперебойного источника питания, например, литиевой батареи, расположенной в полости кожуха (при использовании беспроводной линии связи между вставкой и управляющим устройством), или с помощью кабельной комбинированной линии связи, включающей в себя двухпроводную линию электропитания элементов вставки от блока питания управляющего устройства. При работе грузоподъемного крана вблизи источников сильного электромагнитного излучения кабельную комбинированную линию связи целесообразно снабдить блоком гальванической развязки для повышения помехозащищенности линии связи от внешних электромагнитных наводок.

Вставка подключается к управляющему устройству с помощью общего проводного или беспроводного последовательного интерфейсного канала в случае использования вставки с цифровым выходом. При использовании вставки с аналоговым выходом она подключается с помощью кабельной линии связи к контроллеру, конструктивно расположенному в отдельном блоке системы безопасности грузоподъемного крана, например, к контроллеру поворотной части (КПЧ), в котором производится предварительное преобразование сигналов вставки в цифровой код.

В качестве КПЧ и управляющего устройства грузоподъемного крана могут быть использованы приборы, выпускаемые Арзамасским электромеханическим заводом, или аналогичные приборы других изготовителей. Для реализации системы беспроводной передачи данных можно использовать радиомодули компании Digi. Помехозащищенная кабельная комбинированная линия связи может быть выполнена, например, так, как это показано, в описании изобретения заявителя RU 2399577.

Установка вставки в полости 2 нагружаемого элемента 3 конструкции производится следующим образом.

Предварительно оценивается величина деформации в различных частях нагружаемого элемента 3 конструкции, в который устанавливается вставка, например, расчетным путем, и выбираются место установки приемника 1 деформации и соотношение плеч четырехзвенника механического трансформатора 7 перемещения, обеспечивающие оптимальные значения деформаций упругого элемента 65 преобразователя 6 (с учетом максимально допустимых деформаций балочки 77). Например, как показано на фиг.7, в случае нагружения элемента 3 сжимающей нагрузкой, максимальная величина деформации «d» полости 2 имеет место в направлении оси приложения нагрузки «F», обеспечивая максимальную величину перемещения воспринимающих элементов приемника 1.

Выворачивают винт 49 разжимного приспособления 5, чтобы фиксатор 4 свободно проходил в полость 2.

Вводят в полость 2 предварительно собранные и состыкованные фиксатор 4 с разжимным приспособлением 5, приемник 1 и трансформатор 7 с концевыми элементами 59 и 60 таким образом, чтобы контактирующие элементы приемника 1 соприкасались с поверхностью полости 2 нагружаемого элемента 3 в выбранных точках. При этом для обеспечения свободного перемещения приемника 1 можно слегка развести концевые элементы 59 и 60 трансформатора 7. Закручивают винт 49, разводя концевые части 40 и 41 первой пары звеньев четырехзвенника разжимного приспособления 5 и плотно прижимая упорные элементы 22 и 23 фиксатора 4 к поверхности полости 2. При этом желательно, чтобы конфигурация упорных элементов фиксатора обеспечивала бы контакт с полостью 2 в зонах наименьших перемещений при деформации (например, для случая, рассматриваемого на фиг.2, это зоны, расположенные под углом примерно 45 градусов к оси приложения нагрузки).

Устанавливают упругую рамку 62 на концевые части выходной пары 58 звеньев четырехзвенника механического трансформатор 7 перемещения, обеспечивая плотный контакт воспринимающих элементов 8 и 9 приемника 1 с поверхностью полости 2 в заданном положении.

В пазы концевых элементов 59 и 60 трансформатора 7 заводят захватные части 69 и 70 плеч 66 и 67 тензометрического устройства и фиксируют его с помощью винтов 86 и 87. После чего подключают чувствительный элемент преобразователя 6 к электронной схеме, закрывают выступающую часть вставки кожухом, и устанавливают заглушку, изолирующую полость нагружаемого элемента конструкции с противоположной стороны от воздействия внешней среды.

Вставка работает следующим образом.

Деформация «d» элемента 3 конструкции под действием усилия «F», воспринимается губками 8 и 9 приемника 1 деформации. Перемещение губок 8 и 9 в направлении действия нагрузки передается через связанный с ними механический трансформатор 7 на тензометрическое устройство. В тензометрическом устройстве перемещение первого плеча 66 упругого элемента 65 через ленточные тяги 84 и платформу 83 передается на измерительную балочку 77. Так как платформа 83 соединена ленточными тягами 84 с консолью 81 первого плеча 66 упругого элемента 65 с образованием параллелограммной подвески, то перемещение первого плеча 66 упругого элемента 65 вызывает плоскопараллельное перемещение платформы 83 с закрепленной на ней концевой полкой 79 измерительной балочки 77 и, соответственно, деформацию измерительной баночки. На тензорезисторы измерительной балочки 77 воздействуют механические напряжения от изгиба, пропорциональные величине перемещения концевых элементов 59 и 60 выходной пары 58 звеньев четырехзвенника, зависящей от его коэффициента трансформации «K». Тензорезисторы изменяют свое сопротивление, происходит разбаланс моста Уитстона и изменение его выходного сигнала, передаваемого непосредственно или через КПЧ на управляющее устройство с помощью проводной или беспроводной линии связи.

В случае изменения температуры при эксплуатации вставки температурная деформация измерительной балочки 77 будет отличаться от аналогичных деформаций упругих балок 74 параллелограммных подвесок. Разница в температурных деформациях может привести к смещению платформы 83 и некоторому небольшому изгибу измерительной балочки 77, который, в случае необходимости, может быть учтен при настройке начального значения выходного сигнала в начале измерения и не приведет к ухудшению точности измерений.

В управляющем устройстве происходит сравнение фактического нагружения грузоподъемного крана с предельно-допустимым нагружением, и, в зависимости от результатов сравнения, микроконтроллер управляющего устройства выдает сигнал на исполнительный блок, формирующий разрешение или запрещение движений грузоподъемного крана. Одновременно микроконтроллер выдает сигналы на модуль визуальной индикации, формирующий диагностическое сообщение на дисплее, и модуль звуковой сигнализации (на чертеже не показаны).

Описанная вставка является лишь частным примером осуществления полезной модели. При ее реализации могут использоваться также различные конструктивные исполнения элементов вставки, отличающиеся от описанных в данной заявке и приведенных на рисунках, иллюстрирующих полезную модель. Например, вставка может быть приспособлена для установки в полость нагружаемого элемента конструкции, выполненную в виде прямоугольного отверстия. В этом случае губки с односторонне смещенными встречно направленными выступами приемника деформации и фиксатора приемника деформации выполняются в виде уголков. Преобразователь 6 контролируемой величины в электрический сигнал может быть снабжен выполненной из упругого материала демпфирующей опорой, размещенной в полости 2 нагружаемого элемента 3 конструкции в зоне шарнирного соединения двуплечих рычагов 54 и 55. В качестве преобразователя контролируемой величины в электрический сигнал могут использоваться, помимо тензометрических преобразователей, преобразователи других типов (емкостные, оптические и т.д.).

Промышленная применимость Предлагаемая вставка для измерения деформации нагружаемого элемента конструкции может быть изготовлена промышленным способом на приборостроительном предприятии с использованием современных материалов и технологий, в частности с использованием электроэрозионной обработки токопроводящих материалов.

1. Вставка для измерения деформации нагружаемого элемента конструкции, содержащая приемник деформации, фиксатор приемника деформации в полости нагружаемого элемента конструкции, снабженный разжимным приспособлением, преобразователь контролируемой величины в электрический сигнал; и механический трансформатор перемещения, связывающий приемник деформации с преобразователем контролируемой величины в электрический сигнал, при этом приемник деформации выполнен в виде двух связанных с механическим трансформатором перемещения оппозитно расположенных воспринимающих элементов, контактирующих с поверхностью полости нагружаемого элемента конструкции и соединенных между собой посредством упругой связи, обеспечивающей возможность их перемещения в направлении измеряемых деформаций нагружаемого элемента конструкции, и один из воспринимающих элементов приемника деформации связан с фиксатором приемника деформации, фиксатор приемника деформации выполнен в виде двух соединенных с разжимным приспособлением оппозитно расположенных упорных элементов, контактирующих с поверхностью полости нагружаемого элемента конструкции и соединенных между собой посредством упругой связи, обеспечивающей возможность их перемещения в направлении, перпендикулярном направлению измеряемых деформаций нагружаемого элемента конструкции, и снабжен первым стыковочным элементом, прикрепленным к одному из воспринимающих элементов приемника деформации и связанным с его упорными элементами посредством упругой связи, обеспечивающей возможность перемещения первого стыковочного элемента в направлении измеряемых деформаций нагружаемого элемента конструкции, а механический трансформатор перемещения выполнен в виде первого четырехзвенника, входная пара звеньев которого связана с воспринимающими элементами приемника деформации, а выходная пара звеньев снабжена концевыми элементами, связанными с преобразователем контролируемой величины в электрический сигнал, отличающаяся тем, что

приемник деформации снабжен вторым стыковочным элементом, прикрепленным к одному из упорных элементов фиксатора приемника деформации и связанным с воспринимающими элементами посредством упругой связи, обеспечивающей возможность перемещения второго стыковочного элемента в направлении, перпендикулярном измеряемым деформациям нагружаемого элемента конструкции.

2. Вставка по п.1, отличающаяся тем, что упорные элементы фиксатора приемника деформации представляют собой две губки с односторонне смещенными встречно направленными выступами, а упругая связь между ними образована двумя упругими параллелограммными подвесками, расположенными в одной плоскости и установленными относительно друг друга по встречно-последовательной схеме, каждая из которых состоит из двух упругих балок, одними концами закрепленных к выступу соответствующей губки, а другими концами закрепленных к расположенному между губками первому плавающему элементу, связанному с первым стыковочным элементом посредством упругой развязки, обеспечивающей возможность перемещения первого стыковочного элемента относительно первого плавающего элемента вдоль балок упругих параллелограммных подвесок.

3. Вставка по п.2, отличающаяся тем, что все элементы фиксатора приемника деформации выполнены за одно целое в виде пластины, в которой выполнены две однонаправленные прорези и расположенная между ними и параллельная им встречно направленная прорезь, отделяющие губки от первого плавающего элемента, первого стыковочного элемента и упругих параллелограммных подвесок, а также губки и упругие параллелограммные подвески друг от друга, при этом первый плавающий элемент связан с первым стыковочным элементом двумя встречно направленными П-образными упругими элементами, образованными Н-образной прорезью и двумя встречно направленными прямыми прорезями, выполненными в указанной пластине.

4. Вставка по п.1, отличающаяся тем, что воспринимающие элементы приемника деформации представляют собой две губки с односторонне смещенными встречно направленными выступами, а упругая связь между ними образована двумя упругими параллелограммными подвесками, расположенными в одной плоскости и установленными относительно друг друга по встречно-последовательной схеме, каждая из которых состоит из двух упругих балок, одними концами закрепленных к выступу соответствующей губки, а другими концами закрепленных к расположенному между губками второму плавающему элементу, связанному со вторым стыковочным элементом посредством упругой развязки, обеспечивающей возможность перемещения второго стыковочного элемента относительно плавающего элемента вдоль балок упругих параллелограммных подвесок.

5. Вставка по п.4, отличающаяся тем, что все элементы приемника деформации выполнены за одно целое в виде пластины, в которой выполнены две однонаправленные прорези и расположенная между ними и параллельная им встречно направленная прорезь, отделяющие губки от второго плавающего элемента, второго стыковочного элемента и упругих параллелограммных подвесок, а также губки и упругие параллелограммные подвески друг от друга, при этом второй плавающий элемент связан с вторым стыковочным элементом двумя встречно направленными П-образными упругими элементами, образованными Н-образной прорезью и двумя встречно направленными прямыми прорезями, выполненными в указанной пластине.

6. Вставка по п.1, отличающаяся тем, что первый четырехзвенник включает в себя два расположенных напротив друг друга двуплечих рычага с различным соотношением длин плеч, шарнирно соединенных между собой с помощью гибкого элемента, выполненного за одно целое с двуплечими рычагами, при этом одна пара плеч двуплечих рычагов образует входную пару звеньев первого четырехзвенника, а другая - его выходную пару звеньев.

7. Вставка по п.6, отличающаяся тем, что первый четырехзвенник выполнен в виде плоского прямого бруска, на продольной оси которого выполнены два близкорасположенных отверстия и две встречно направленные продольные прорези от торцов бруска до указанных отверстий, с образованием двух расположенных напротив друг друга двуплечих рычагов и соединяющего их гибкого элемента в виде перемычки между указанными отверстиями.

8. Вставка по п.1, отличающаяся тем, что разжимное приспособление выполнено в виде второго четырехзвенника из бруска, в котором выполнены два встречно направленных паза, с образованием двух расположенных напротив друг друга двуплечих рычагов и соединяющего их гибкого элемента, при этом в первой паре звеньев второго четырехзвенника выполнено осевое резьбовое отверстие и их концевые части связаны с упорными элементами фиксатора приемника деформации, концевые части второй пары звеньев выполнены с наклонными внутренними поверхностями, а в указанное резьбовое отверстие ввернут винт, выполненный с возможностью раздвижения его резьбовой частью концевых частей первой пары звеньев второго четырехзвенника и возможностью сведения их с помощью головки винта при его выворачивании из указанного резьбового отверстия.

9. Вставка по п.8, отличающаяся тем, что в первой паре звеньев второго четырехзвенника выполнены два встречно направленных паза, в которых закреплены сухари, выполненные из материала, обладающего повышенной прочностью и износостойкостью, а в сухарях выполнено отверстие под концевую часть винта.

10. Вставка по п.1, отличающаяся тем, что первый четырехзвенник снабжен средством для разведения воспринимающих элементов приемника деформации, представляющим собой упругую рамку, закрепленную на концевых частях выходной пары звеньев первого четырехзвенника.

11. Вставка по п.10, отличающаяся тем, что элементы упругой рамки выполнены за одно целое в виде пластины, имеющей на боковых сторонах параллельные встречно направленные прорези, образующие зигзагообразные пружины.