Динамометр для измерения крутящих моментов при закрутке металлических свай

Авторы патента:

Полезная модель относится приспособлениям для измерение силы при помощи тензорезисторных преобразователей и предназначена регистрации крутящих моментов, возникающих в реальных условиях при закрутке металлических свай.

Техническим результатом заявленной полезной модели является упрощение, снижение материалоемкости конструкции и появление возможности регистрации крутящих моментов для проверки прочности установки металлических свай.

Технический результат достигается тем, что в динамометр для измерения крутящих моментов при закрутке металлических свай, тензорезисторы расположенные под углом к продольной оси динамометра, токоподводящие и измерительные выводы подсоединенные к источнику питания согласно полезной модели две пары соединенных в электрический мост тензорезисторов, закреплены на внешней поверхности опорного элемента выполненного в форме полого тела вращения.

Опорный элемент содержит, по меньшей мере, два отверстия с его противоположных сторон и расположенных на одной прямой.

Полезная модель относится к приспособлениям для измерения силы при помощи тензорезисторных преобразователей и предназначена регистрации крутящих моментов, возникающих в реальных условиях при завинчивании металлических свай.

По патенту RU80862 известно устройство для испытания несущей способности полых свай и грунтов, включающее в себя вертикально ориентированную трубу, расположенную внутри погруженной в грунт полой сваи, имеющую в нижней части штамп, выполненный в виде днища, вваренного в трубу, а в верхней части - площадку для установки гидравлических домкратов, балку, закрепленную в верхней части полой сваи для упора гидравлических домкратов, расположенных между балкой и площадкой, реперную раму, окаймляющую полую сваю с опиранием ее на грунт вне силового контура устройства для испытаний, измерительную оснастку, закрепленную на реперной раме, содержащее сменную опорную плиту, выполненную в виде кольца, внутренний диаметр которого равен диаметру штампа, при этом сменная опорная плита закреплена на трубе со штампом посредством устройства, позволяющего менять ее положение по высоте трубы.

Недостатками известного устройства являются сложность и металлоемкость конструкции, сложность при эксплуатации.

Наиболее близким к заявленному техническому решению является известный по патенту SU 1631321 тензомерический динамометр для измерения крутящего момента состоящий из корпуса с приводной деталью, упругого элемента выполненного в виде пустотелого цилиндра с фланцами на концах установленного на ступице, при этом на упругом элементе установлены тензорезисторы.

Недостатками известного тензомерического динамометра являются сложность и высокая металлоемкость конструкции и невозможность применения для регистрации крутящих моментов для проверки прочности установки металлических свай.

Размещение тензорезисторов соединенных в электрический мост на внешней стороне поверхности опорного элемента позволяет исключить использование в конструкции упругих элементов, что значительно упрощает конструкцию и снижает ее материалоемкость. Для регистрации крутящих моментов, возникающих в реальных условиях при завинчивании металлических свай не требуется передача усилий между элементами конструкции динамометра, в частности между упругим элементом и корпусом, поскольку достаточно измерить минимальную величину угла поворота сваи, при ее вращении вместе с установленным на ней заявленным устройством.

Для регистрации крутящих моментов, возникающих в реальных условиях при завинчивании металлических свай не требуется передача усилий между элементами конструкции динамометра, в частности между упругим элементом и опорным элементом, поскольку достаточно измерить минимальную величину угла поворота сваи, при ее вращении вместе с установленным на ней заявленным устройством.

Выполнение в опорном элементе, по меньшей мере, двух отверстий с его противоположных сторон и расположенных на одной прямой позволяет после установки устройства на стволе сваи продеть сквозь них и сквозь соответствующие им отверстия в стволе сваи рычаг для проворачивания динамометра вместе со стволом сваи.

Сущность заявленной полезной модели поясняется рисунком:

На фиг 1 изображен общий вид заявленного устройства надеваемого на ствол сваи.

Динамометр для измерения крутящих моментов при закрутке металлических свай, содержащий опорный элемент 1, выполненный в форме полого тела вращения, тензорезисторы 2, 3, 4, 5, соединенные в электрический мост и подсоединенными к источнику питания, где тензорезисторы 2, 3, 4, 5, закреплены на внешней поверхности опорного элемента 1 под углом от 35 до 55 градусов к его продольной оси, при этом опорный элемент 1 содержит, по меньшей мере, два отверстия 6, 7 с его противоположных сторон и расположенных на одной прямой.

Заявленное устройство одевается на ствол металлической, преимущественно винтовой, сваи 8. Отверстия 2, 3, 4, 5, в опорном элементе совмещаются с соответствующими отверстиями 9, 10, выполняемыми в стволе сваи 8 сквозь них продевается, а затем проворачивается рычаг (на чертеже не показан). В этот момент происходит измерение.

Все тензорезисторы имеют преимущественно одинаковый угол наклона, но допустимы погрешности от 1 до 3 градусов. Все тензорезисторы расположены под углом от 35 до 55 градусов к продольной оси опорного элемента.

Для преобразования возникающей в процессе закручивания механической деформации в электрический сигнал используются тензорезисторные преобразователи марки ПКБ-10-100ХА. С целью снижения уровня погрешности измерения, повышения чувствительности измерительной схемы, уменьшения влияния температурной погрешности и компенсации деформации изгиба тензорезисторные преобразователи устанавливались под углом 45" к продольной оси динамометра и подключались к измерительной системе по схеме полного моста.

В состав измерительной цепи входят динамометр с наклеенными тензорезисторами, тензометрический усилитель 8АНЧ-26, аналого-цифровой преобразователь E140, соединительные кабели, ноутбук. Деформация (кручение) воспринимается тензорезисторными преобразователями и преобразуется в изменение напряжения в измерительной диагонали мостовой схемы. Уровень изменения напряжения в измерительной диагонали моста изменяется в пределах 0.0110 мВ и поэтому требует усиления. Для этого используется специализированный тензометрический восьмиканальный усилитель на несущей частоте 8АНЧ-26. Усиленный аналоговый сигнал с усилителя поступает на вход АЦП, где оцифровывается и превращается в цифровой код. Результаты оцифровки данных записываются в память ПК и могут быть использованы для проведения обработки результатов и дальнейших исследований.

Для повышения точности натурных экспериментов в условиях реального нагружения свай были получены данные непосредственной градуировки тензодинамометра. С этой целью была собрана измерительная цепь, соответствующая условиям измерения в реальных условиях. После чего с использованием специальных приспособления были проведены испытания динамометра, которые позволяют установить однозначную связь между показаниями динамометра и величиной крутящего момента приложенного к свае при закручивании.

С целью отработки методики и изучения влияния конструкции свай на величину момента их закручивания, были проведены модельные эксперименты по регистрации крутящих моментов при закрутке свай трех различных конструкций в среду с известными механическими характеристиками. Для регистрации крутящего момента и обработки полученных результатов использовался тот же самый измерительный комплекс, что и при проведении градуировочных испытаний.

Максимальный уровень сигнала в измерительной диагонали мостовой схемы получается при наклейке тензорезисторных преобразователей под углом 45° к продольной оси опорного элемента выполненного преимущественно в виде трубы. При этом угол между осями установки тензорезисторов составляет 90°. В том случае, когда возникает отклонение от оптимальных углов установки тензорезисторов, возникает систематическая погрешность, связанная со снижением уровня воспринимаемой деформации. Величину абсолютной погрешности измерений можно оценить с использованием известных из теории напряжений зависимостей:

Используя эти зависимости, можно подсчитать, что при отклонении угла от 45° на 5° приводит к абсолютной погрешности равной:

что по отношению к измерению под утлом 45° составляет погрешность ±2%; аналогичный расчет может быть сделан для отклонения в 10°:

что в относительных единицах составляет ±6%.

Заявителями определены диапазоны измеряемой деформации для случая изменения крутящих моментов в диапазоне от 100 до 100000 Нм; наружного диаметра сваи от 57 до 325 мм: толщины трубы от 4 до 8 мм.

В соответствии с обобщенным законом Гука деформация, измеряемая тензорезистором определяется по следующей зависимости:

где ₁, ₃ - первая и третья главные деформации, измеряемые тензорезисторами, Е - модуль упругости материала трубы, µ - коэффициент Пуассона, ₁, ₃ - первое и третье главные напряжения.

При наклейки тензорезистора под углом 45° к продольной оси величина касательных напряжений и гланные напряжения ₁, ₃ находятся в соотношении:

В то же время величина касательных напряжений может быть определена по формуле:

где М_кр - крутящий момент действующий на сваю, Нм: W_p - полярный момент сопротивления сечения. Для сечения в виде трубы полярный момент сопротивления определяется по следующей зависимости:

где D - диаметр трубы, l - толщина трубы.

Если подставить формулу (2) в уравнение (1) получим:

Для изотропного материала зависимость между упругими константами выглядит следующим образом:

тогда

Подставив в выражение (5) зависимость (3) и (4) получим:

Рассмотрим варианты крайних значений из заданных диапазонов параметров:

- вариант I: M_кр=100000 Нм, D=325 мм, l=8 мм: получаем значение деформации:

- вариант II: M_кр=1000 Нм, D=57 мм, l=4 мм: получаем значение деформации:

Анализ приведенных результатов показывает, что при изменении крутящих моментов, диаметров и толщин свай уровень регистрируемого сигнала достаточно высок. Если уменьшить действующий момент в вариантах I и II в 100 раз, то измеряемая деформация будет соответственно

С учетом повышения чувствительности за счет схемы полного моста сигнал измерительной информации может быть увеличен в четыре раза.

заявленная конструкция обладает достаточной чувствительностью и обеспечивает приемлемую точность измерений для определения прочности установки сваи в грунт.

1. Динамометр для измерения крутящих моментов при закрутке металлических свай, содержащий тензорезисторы, расположенные под углом к продольной оси динамометра, токоподводящие и измерительные выводы, подсоединенные к источнику питания, отличающийся тем, что две пары соединенных в электрический мост тензорезисторов закреплены на внешней поверхности опорного элемента, выполненного в форме полого тела вращения.

2. Динамометр для измерения крутящих моментов при закрутке металлических свай по п. 1, отличающийся тем, что опорный элемент содержит, по меньшей мере, два отверстия с его противоположных сторон и расположенных на одной прямой.