СИЛОИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ДАТЧИК

Предлагаемое изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для постоянного измерения усилий в различных резьбовых соединениях строительных элементов и конструкций. Может быть применено на электростанциях (ГЭС, ТЭС, АЭС и др.), являющихся промышленно опасными объектами и имеющих важное стратегическое значение.

Известен «Датчик силы тензометрический» по патенту на полезную модель RU 78311 от 20.11.2008 г., МПК G01L 1/22 - [1], содержащий выполненные за одно целое в форме тела вращения кольцевой опорный элемент, расположенный внутри него силовводящий цилиндрический элемент и соединяющий их упругий элемент в виде кольцевой мембраны, на внутреннюю поверхность которой наклеены четыре тензорезистора, соединенные в электрический мост с токоподводящими и измерительными выводами, в полости опорного элемента расположена примыкающая к тензорезисторам двусторонняя печатная плата в виде выполненной из электроизоляционного материала кольцеобразной пластины, на внутреннюю поверхность которой нанесены электропроводящая полоска в виде разрезного кольца с зазором между его концами и электрически соединенная с ней контактная площадка, диаметрально расположенная относительно указанного зазора; а на внешнюю поверхность указанной кольцеобразной пластины нанесены параллельно электропроводящей полоске в виде разрезного кольца равные с ней по ширине четыре дугообразные электропроводящие полоски с расположенными на их концах контактными площадками, к которым подсоединены выводы тензорезисторов.

Недостатком известного аналога [1] является то, что в нем нет компенсации измерений неравномерности распределения механических напряжений (деформаций), а сама конструкция допускает неравномерность нагружения расположенных в нем тензорезисторов, что приведет к большим погрешностям измерений.

Известен контроль усилия затяжки резьбового соединения измерением радиальной деформации элемента, например гайки, при ее затяжке (завинчивании) по «Способу контроля усилия затяжки резьбовых соединений», патент RU 2410655 от 27.01.2011 г., МПК G01L 1/00 - [2], согласно которому резьбовое соединение подвергают испытанию, для чего фиксируют болт, далее нагружают болт осевой силой и фиксируют величину контролируемого параметра, соответствующую усилию затяжки при нагружении болта полной рабочей нагрузкой. Затяжку резьбового соединения при сборке изделий выполняют до достижения этой величины контролируемого параметра. Контроль усилия затяжки при испытании осуществляют по радиальной деформации гайки выборочных образцов из партии резьбовых соединений, которую фиксируют с помощью датчика радиальной деформации. Затяжку последующих резьбовых соединений этой партии при сборке изделий выполняют до достижения радиальной деформации гайки величины, равной величине, полученной при испытании выборочных образцов в момент полного нагружения болта, соответствующего заданному напряжению затяжки. В качестве устройства для осевого нагружения и измерительного прибора для регистрации осевого нагружения используют разрывную испытательную машину. Датчик измерения радиальной деформации устанавливают при испытании образцов и при сборке резьбовых соединений в непосредственной близости от опорного торца гайки.

Недостатком известного аналога [2] является то, что контролируют не каждое изделие, а только выборочные образцы из партии резьбовых соединений и проводят испытания в лабораторных условиях, которые сильно отличаются от условий эксплуатации. При этом не осуществляют постоянный контроль каждого резьбового соединения, от которых сильно зависит вероятность аварийных ситуаций в строительных элементах и конструкциях сооружений, являющихся промышленно опасными объектами и имеющих важное стратегическое значение.

Известен «Датчик радиальной деформации» по патенту на полезную модель RU 90893 от 20.01.2010 г., МПК G01B 7/16 - [3], содержащий упругое кольцо, опору для измеряемого изделия, закрепленную на внутренней поверхности упругого кольца, регулировочный винт для крепления датчика на измеряемом изделии и установки нуля измерительной системы, тензорезисторы, наклеенные напротив друг друга на внутренней и внешней поверхностях упругого кольца, упругое кольцо выполнено с переменным сечением, при этом опора для измеряемого изделия и регулировочный винт расположены напротив друг друга в местах наибольшего поперечного сечения упругого кольца, а тензорезисторы наклеены на поверхности в местах с наименьшим сечением упругого кольца. При этом упругое кольцо может быть выполнено литьем, а датчик содержать две пары тензорезисторов, установленных на упругом кольце напротив друг друга в местах наименьшего сечения, а опора для измеряемого изделия может быть выполнена в виде трехгранной призмы.

Недостатком известного аналога [3] является то, что конструкция датчика сложна, требует особенной осторожности при затяжке резьбового соединения, а также дополнительной защиты при его эксплуатации. При осуществлении постоянного контроля усилия затяжки резьбового соединения не учитываются неравномерности нагружения деталей и практически применение аналога [3] трудноосуществимо. Кроме того, крепление тензорезисторов на упругое кольцо возможно в основном только при помощи клеевого соединения, которое при постоянных усилиях на резьбовое соединения будет релаксировать, то есть течь, и, следовательно, искажать значение измеряемого усилия.

Известен ГОСТ 1343 8-68* «Шайбы сферические для станочных приспособлений» стр.3 (Приложение 1) - [4], по которому для центровки и равномерной передачи усилия на головку болта (или гайку шпильки) и исключения его (ее) изгиба используют сферические или конические шайбы с подкладными (или накладными) шайбами. При этом сферические (конические) шайбы при приложении к ним усилий также равномерно деформируются, однако применение таких шайб с их равномерной деформацией не известно для применения при измерении усилий затяжки резьбового соединения и при постоянном контроле усилий этой затяжки.

Известно «Устройство для измерения силы натяжения каната» по патенту на полезную модель RU 8517 от 16.11.1998 г., МПК G21C 19/26, G21C 19/33 - [5], содержащее силоизмерительный тензорезисторный консольный датчик, в проходных отверстиях корпуса которого установлены две направляющие опоры, равноудаленные от расположенной между ними центральной опоры, ограничивающей ход прижимного упора, соединенного стяжными болтами и гайками, установленными через тарельчатые шайбы, с планкой, крепящей на корпусе центральную опору, причем центральная опора имеет меньшую высоту, чем направляющие опоры, и все опоры и прижимной упор спрофилированы по диаметру каната. При затягивании гаек через тарельчатые шайбы, нормирующие усилие зажима каната, стяжные винты тянут прижимной упор, который прогибает канат на некоторую величину, составляющую разность между высотой опор. Прогиб каната нагружает одну из опор с усилием, равным составляющей силы натяжения в направлении оси опоры. Это усилие измеряется тензодатчиком.

Однако тарельчатые (сферические) шайбы в аналоге [5] используются для выравнивания усилий при плавном регулировании показаний тензорезисторного консольного датчика и выполняют второстепенные, вспомогательные функции.

Известен «Комплект для извлечения радиоактивных сборок из реактора» по свидетельству на полезную модель RU 8517 от 16.11.1998 г., МПК G21C 19/26, G21C 19/33 - [6], включающий грузоподъемный механизм с полиспастом и передвижную тележку с закрепленным на ней посредством фланца уравнительным блоком, который снабжен силоизмерительной шайбой, закрепленной на его фланце, а силоизмерительная шайба снабжена тензометрами, равномерно расположенными по периметру фланца и образующими два независимых измерительных моста.

Недостатком известного аналога [6] является то, что в конструкции силоизмерительной шайбы использовано дискретное распределение тензометров, используемых для компенсации ее неравномерного деформируемого состояния. При этом нет самоцентрирования силоизмерительной шайбы для ее равномерного нагружения. Наличие множества дискретно распределенных тензометров в силоизмерительной шайбе усложняет конструкцию, повышает ее стоимость и снижает надежность. Клеевое крепление тензорезисторов на силоизмерительной шайбе, при постоянных усилиях на резьбовые соединения, и особенно при воздействии высоких температур будет релаксировать, что со временем будет приводить к увеличению погрешности измерений.

Прототипом заявляемого технического решения является «Силоизмерительное устройство» по патенту RU 2410655 от 27.01.2011 г., МПК G01L 1/00 - [7], содержащее навинченную на резьбу стержня гайку, расположенную под гайкой плоскую накладную шайбу и расположенную под ней плоскую силоизмерительную шайбу из нержавеющей стали с чувствительными элементами в виде двух резонаторов на поверхностных акустических волнах. Силоизмерительная шайба расположена на стопорном элементе из эластичного материала, расположенном в подкладной шайбе с буртом и фигурными вырезами.

Основным недостатком прототипа [7] является то, что крепление чувствительных элементов (в виде двух резонаторов на поверхностных акустических волнах и малых геометрических размеров) к нержавеющей стали возможно в основном только при помощи клеевого соединения или низкотемпературного припоя, которые при постоянных нагрузках (усилиях) на резьбовое соединение будут релаксировать, то есть течь, и, следовательно, искажать значение усилия. То есть со временем погрешность измерений усилия в резьбовом соединении будет только увеличиваться. Кроме того, при затяжке резьбового соединения стопорный эластичный материал будет подниматься вдоль внешней цилиндрической поверхности силоизмерительной шайбы и по бурту подкладной шайбы для фиксации гайки и при этом обрывать провода от двух резонаторов на поверхностных акустических волнах к их антеннам, расположенным вне резьбового соединения. Это существенно снижает надежность устройства в целом. Эластичный стопорный материал, находящийся под силоизмерительной шайбой, в свою очередь будет демпфировать, искажать измеряемую величину усилия в резьбовом соединении, а со временем будет стареть и изменять свои свойства.

Таким образом, вышеприведенные недостатки аналогов и прототипа ставят задачи:

- создания надежного силоизмерительного датчика с повышенной длительностью эксплуатации;

- сведения к минимуму релаксационных свойств клеевого соединения крепления измерительного тензорезистора;

- достижения равномерного распределения нагруженного состояния силоизмерительного элемента (силоизмерительной шайбы) путем его самоцентрирования при приложении осевой нагрузки;

- повышения точности измерения силоизмерительного датчика при упрощении его конструкции.

Указанная задача достигается тем, что в силоизмерительном датчике, содержащем силоизмерительную шайбу с установленными на ней чувствительным элементом и надкладную шайбу, поверхностью сопряжения силоизмерительной шайбы с надкладной шайбой является сфера, чувствительный элемент выполнен в виде обмотки тензорезистора, расположенной и жестко закрепленной на внешней цилиндрической поверхности силоизмерительной шайбы. Внутренний диаметр накладной шайбы может быть выполнен на 5-10% больше внутреннего диаметра силоизмерительной шайбы.

При этом решаются технические задачи предлагаемого изобретения:

- повышение длительности (времени) эксплуатации силоизмерительного датчика и повышение его надежности за счет сведения к минимуму релаксационных свойств клеевого соединения крепления тензорезистора (измерительного), который представляет собой обмотку, намотанную и жестко закрепленную (тем же клеевым соединением) на внешней цилиндрической поверхности силоизмерительной шайбы;

- повышение точности измерения усилия резьбового соединения за счет выравнивания уровня нагружения (деформации) силоизмерительной шайбы вследствие ее самоцентрирования по сферической поверхности от накладной шайбы;

- существенное упрощение конструкции силоизмерительного датчика, так как равномерное нагружение силоизмерительной шайбы позволит обойтись минимальным числом (одним измерительным и одним термокомпенсационным) тензорезисторов.

Кроме того, из патентных источников известен «Упругий элемент устройства для измерения радиальных давлений» по патенту RU 2293294 от 10.07.2007 г., МПК G01L 1/22 - [8], содержащий полое тело вращения цилиндрической формы, внутренний диаметр которого равен диаметру цилиндра, с расположенными по образующим тела вращения окнами и с разделяющими их перемычками, с закрепленными на них тензорезисторами, окна выполнены в виде прорезей минимальной ширины, увеличивающих количество разделяющих их перемычек, причем прорези выполнены в торцевой части тела вращения, а перемычки представляют собой консольные балки. Прорези могут быть выполнены в торцевой части тела вращения переменного сечения, а перемычки представляют собой консольные балки L-образной формы.

В аналоге [8] при помощи радиально распределенных тензорезисторов снимают усилия для построения эпюры радиальных давлений поршневого кольца на внутреннюю стенку цилиндра. Но радиальное давление (усилие) не используют для измерения осевого усилия нагрузки, как в заявляемом устройстве.

Также известны: «Датчик крутящего момента» по заявке WO 2010108674 (А1) от 30.09.2009 г., МПК G01L 3/14 - [9], и «Датчик крутящего момента с телеметрической системой» по патенту ЕР 211375 8 (А2) от 04.11.2009 г., МПК G01D 5/20; G01L 3/14 - [10], содержащие два фланца, соединенных между собой упругим элементом с наклеенными на него тензорезисторами, причем показания от тензорезисторов передеются к внешнему считывающему устройству при помощи телеметрической антенны, которая представляет собой обмотку, намотанную и жестко закрепленную на внешней цилиндрической поверхности одного из фланцев.

Недостатком известных аналогов [9] и [10] является то, что они также не могут быть использованы для измерения осевого усилия нагрузки, а обмотка, намотанная и жестко закрепленная на внешней цилиндрической поверхности одного из фланцев, используется как телеметрическая антенна, а не для измерения усилия в резьбовом соединении, как в заявляемом устройстве.

На фиг.1 представлен разрез заявляемого силоизмерительного датчика. На фиг.2 - расположение силоизмерительного датчика при измерении усилия в резьбовом соединении. На фиг.3 - фотография силоизмерительной и накладной шайб (вид сверху). На фиг.4 - фотография силоизмерительной и накладной шайб (вид сбоку). На фиг.5 - фотография силоизмерительной и накладной шайб, расположенных с зазором друг к другу. На фиг.6 - фотография сферических поверхностей силоизмерительной и накладной шайб.

Силоизмерительный датчик содержит силоизмерительную шайбу 1 с одной плоской и другой сферической вогнутой поверхностью и накладную шайбу 2 с одной ответной сферической выпуклой и другой плоской поверхностью. На внешней цилиндрической поверхности 3 силоизмерительной шайбы 1 при помощи клеевого соединения жестко присоединена обмотка 4 измерительного тензорезистора. Силоизмерительный датчик (см. фиг.2) расположен на соединяемой детали 5 на резьбовом стержне 6 (шпильке или болте) и прижат к соединяемой детали 5 при помощи гайки 7. Выполнение поверхности сопряжения силоизмерительной шайбы 1 и накладной сферической шайбы 2 позволяет при приложении усилия затяжки резьбового соединения силоизмерительной шайбе 1 самоцентрироваться и постоянно работать в условиях равномерно деформированного состояния. Это позволяет не только точно снимать показания усилия затяжки резьбового соединения из обмотки 4 измерительного тензорезистора, но и обеспечить равномерную передачу усилия на гайку (или головку болта) и не допустить изгибов резьбового стержня 6, что дополнительно повышает надежность резьбового соединения. Выполнение (измерительного, чувствительного к нагрузкам) тензорезистора в виде обмотки 4 существенно затруднит релаксационные свойства клеевого соединения и тем самым повысит надежность силоизмерительного датчика и длительность его эксплуатации. Крепление термокомпенсационного тензорезистора на силоизмерительной шайбе 1 может быть выполнено известными способами на любой свободной поверхности и поэтому на фиг.1 и фиг.2 не показано. Снятие показаний с тензорезисторов силоизмерительной шайбы 1 также может быть осуществлено различными известными способами. Выполнение признака «внутренний диаметр накладной шайбы больше на 5-10% внутреннего диаметра силоизмерительной шайбы» необходимо для того, чтобы при сильных наклонах поверхности соединяемой детали 5 относительно резьбового стержня 6 соединение силоизмерительной шайбы 1 и накладной шайбы 2 всегда происходило по сферической поверхности, и не происходило «заминание» тонкого края силоизмерительной шайбы 1 и витков резьбы стержня 6.

Работает силоизмерительный датчик следующим образом. При завинчивании резьбового соединения, а именно навинчивания на резьбовой стержень 6 гайки 7, последняя прижимает через накладную шайбу 2 силоизмерительную шайбу 1 к соединяемой детали 5. При этом при воздействии осевой нагрузки силоизмерительная шайба 1 и накладная шайба 2 самоцентруются по общей сферической поверхности сопряжения, так что они постоянно находятся в условиях равномерно деформированного состояния. Дальнейшие приложения усилия нагрузки вызовут равномерную радиальную деформацию силоизмерительной шайбы 1 и ее внешний диаметр будет увеличиваться, и, следовательно, будет деформироваться (увеличиваться) внешняя цилиндрическая поверхность 3 силоизмерительной шайбы 1. При этом будет деформироваться (растягиваться) обмотка 4 измерительного (чувствительного) тензорезистора, с которой будет сниматься показание усилия вторичным внешним прибором. Таким образом возможно контролировать процесс правильной затяжки резьбового соединения и его дальнейшее состояние. И, наоборот, при снятии нагрузки с резьбового соединения (отвинчивании гайки 7) обмотка 4 будет сжиматься, и вторичный прибор даст сигнал, например оператору, об аварийной ситуации.

Таким образом, внедрение предлагаемого изобретения приведет к следующим техническим результатам:

- повышение длительности (времени) эксплуатации силоизмерительного датчика и повышение его надежности за счет сведения к минимуму релаксационных свойств клеевого соединения крепления измерительного тензорезистора;

- повышение точности измерения усилия резьбового соединения за счет увеличения выравнивания нагружения (деформации) силоизмерительной шайбы, вследствие ее нагружения и самоцентрирования по сферической поверхности от накладной шайбы;

- равномерное нагружение силоизмерительной шайбы позволит обойтись минимальным числом (одним измерительным и одним термокомпенсационным) тензорезисторов, что существенно упростит систему измерения, снизит ее стоимость и повысит ее надежность.

Применение предложенного силоизмерительного датчика позволит снизить вероятность аварийных ситуаций в строительных сооружениях, являющихся промышленно опасными объектами и имеющих важное стратегическое значение, за счет постоянного измерения усилий в различных резьбовых соединениях строительных элементов и конструкций, от состояния которых в значительной степени зависит их надежность.

Полагаем, что предложенный силоизмерительный датчик обладает всеми критериями изобретения, так как совокупность ограничительных и отличительных признаков формулы изобретения является новой для конструкций силоизмерительных датчиков, и, следовательно, соответствует критерию "новизна".

Совокупность признаков формулы изобретения предложенного устройства неизвестна на данном уровне развития техники и не следует общеизвестным правилам разработки и конструирования силоизмерительных датчиков, что доказывает соответствие критерию "изобретательский уровень".

Разработка, конструирование и внедрение предложенного силоизмерительного датчика не представляет никаких конструктивно-технических и технологических трудностей, откуда следует соответствие критерию "промышленная применимость".

ЛИТЕРАТУРА

1. Свидетельство на полезную модель RU 78311 от 20.11.2008 г., МПК G01L 1/22 - «Датчик силы тензометрический».

2. Патент RU 2410655 от 27.01.2011 г., МПК G01L 1/00. - «Способ контроля усилия затяжки резьбовых соединений».

3. Свидетельство на полезную модель RU 90893 от 20.01.2010 г., МПК G01B 7/16 - «Датчик радиальной деформации».

4. ГОСТ 13438-68* «Шайбы сферические для станочных приспособлений» стр.3 (Приложение 1).

5. Свидетельство на полезную модель RU 8517 от 16.11.1998 г., МПК G21C 19/26, G21C 19/33 - «Устройство для измерения силы натяжения каната».

6. Свидетельство на полезную модель RU 8517 от 16.11.1998 г., МПК G21C 19/26, G21C 19/33 - «Комплект для извлечения радиоактивных сборок из реактора».

7. Патент RU 2410655 от 27.01.2011 г., МПК G01L 1/00, «Силоизмерительное устройство» - прототип.

8. Патент RU 2293294 от 10.07.2007 г., МПК G01L 1/22 - «Упругий элемент устройства для измерения радиальных давлений».

9. Заявка WO 2010108674 (А1) от 30.09.2009 г., МПК G01L 3/14 - «Датчик крутящего момента».

10. Патент ЕР 2113758 (А2) от 04.11.2009 г., МПК G01D 5/20; G01L 3/14 - «Датчик крутящего момента с телеметрической системой».

Авторы: Ведерников М.В., Силаков Д.М., Калинин В.А., Углова Ю.Н., Галисултанов А.Т.