Патент на изобретение №2199099
|
||||||||||||||||||||||||||
(54) СПОСОБ КОНТРОЛЯ КРУТЯЩЕГО МОМЕНТА И ПНЕВМАТИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ
(57) Реферат: Изобретение относится к измерительной технике, в частности к устройствам для измерения моментов. Сущность способа: берут пневмокамеру К, закрепляют в ней герметично закрытый с одной стороны сильфон, разделяющий ее на две равные по объему взаимно изолированные пневмокамеры. Подают сжатый воздух одновременно внутрь и снаружи сильфона. Сжатый воздух через эталонный зазор S1 между первым соплом и эталонной поверхностью ЭП сбрасывается в атмосферу. Одновременно с этим сжатый воздух через измерительный зазор S2 между вторым соплом ИС и упругой пластиной УП, один конец которой прикреплен к корпусу пневмокамеры, также сбрасывается в атмосферу. К концу упругой пластины прикладывают контролируемый крутящий момент. Деформируясь, упругая пластина изменяет измерительный зазор S2, при этом изменяется расход и давление воздуха, и гофры сильфона начинают деформироваться. По степени перемещений гофр сильфона судят о величине приложенного крутящего момента. Устройство для реализации способа содержит основание с двумя прикрепленными к нему стойками, жестко удерживающими пластину-диск, с запрессованным шарикоподшипником, во внутреннем кольце которого с возможностью поворота размещен ступенчатый валик. К верхней ступени валика прикладывается контролируемый крутящий момент. На торце нижней ступени валика жестко установлен Г-образный рычаг, к которому прикреплены правые части основной и дополнительной упругих пластин, левые части которых прикреплены к стойке, жестко установленной на основании. Устройство содержит сильфон, индикатор, штуцера, воздуховоды. Технический результат: расширение технологических возможностей, повышение точности. 2 с. и 2 з.п. ф-лы, 4 ил. Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано в различных отраслях промышленности для измерений крутящих моментов, развиваемых технологическим оборудованием, например гайковертами, при тарированной затяжке резьбовых соединений. Известен способ контроля усилия затяжки резьбовых соединений [1], заключающийся в первоначальной затяжке гайки до нулевого положения заданным усилием и дальнейшей затяжке гайки с контролем угла поворота гайки, при реализации которого с целью повышения точности контроля усилий затяжки, производят дополнительную затяжку гайки с одновременным измерением крутящего момента на гайке и по отношению произведения всего приложенного момента на приращение угла к приращению момента определяют нулевое положение угла поворота гайки, а окончательный угол поворота, по которому судят об усилии затяжки, определяют по разности требуемого и нулевого углов поворота гайки. Недостатком данного способа контроля является его громоздкость при реализации, что влечет рост трудоемкости и, таким образом, снижает эффективность измерений и технологические возможности. Кроме того, точность измерений не во всех случаях достаточна, так как каждый из этапов предложенной совокупности действий неизменно обуславливает появление как случайных, так и систематических погрешностей. Известен способ контроля усилия затяжки с помощью пневмотензошайб [2], заключающийся в использовании при сборке резьбовых соединений шайб специальной конструкции, и измерении расхода воздуха, проходящего через кольцевую щель шайбы (при затяжке гайки или болта – щель уменьшается, расход воздуха тоже), и по величине изменения этих параметров судят о степени затяжки резьбовых соединений. Недостатками данного способа является высокая трудоемкость реализации из-за необходимости использования специальных шайб, а также значительные погрешности измерений, что снижает его эффективность и ограничивает технологические возможности и, следовательно, область применения будет весьма ограниченной. Известен способ измерения энергетических параметров ударных гайковертов и устройство для его осуществления [3], сущность которых заключается в том, что испытываемым гайковертом наносятся ударные импульсы по силовоспринимающему элементу, в результате чего энергия ударов преобразуется в тепловую энергию. В период между наперед заданными значениями начальной и конечной температур производят измерения количества ударов гайковерта, а энергию единичного удара определяют как частное от деления теплоемкости массы и разности конечной и начальной температур силовоспринимающего элемента на измеренное количество ударов гайковерта. При этом в корпусе силовоспринимающего элемента устройства имеется хвостовик, который воспринимает удары от испытываемого гайковерта, а температурный и акустический датчики регистрируют изменяющиеся параметры. Недостатками данного технического решения являются сложность и громоздкость, что ограничивает технологические возможности, а также недостаточно высокая точность измерений, обуславливаемая использованием нескольких различных типов датчиков. Кроме того, техническое решение пригодно только для устройств ударно-импульсного действия. Известен способ измерения крутящего момента и прибор для его реализации [4], сущность которых заключается в использовании тензометрических датчиков, наклеенных на упругую пластину, регистрирующих изгиб последней, по величине которого и судят о степени затяжки. При этом внешний крутящий момент прикладывается к упругой пластине как сосредоточенная сила через рычаг от вала, расположенного в подшипниковом узле. Недостатками данного способа, не смотря на достаточно высокую точность измерений, является сложность и высокая трудоемкость реализации, так как использование тензодатчиков обуславливает необходимость стабилизированного источника для их питания, а также усилителя электрического сигнала. Кроме того, в случае приложения ударно-импульсной нагрузки (например, при измерениях крутящих моментов у гайковертов ударно-вращательного действия), применение тензодатчиков обуславливает и значительные погрешности измерений. В совокупности это ограничивает технологические возможности как самого способа, так и устройства для его реализации, что в итоге снижает показатели эффективности. Известно устройство для настройки гайковертов [5], содержащее основание, установленные на нем измерительный блок и электрически связанный с ним блок нагружения, включающий корпус, размещенную в нем с возможностью поворота втулку с центральным профильным отверстием, предназначенную для взаимодействия с головкой под ключ настраиваемого гайковерта, и закрепленный в корпусе одним концом упругий элемент с наклеенными на нем тензорезисторами, кинематически связанный другим концом с втулкой, в котором с целью расширения технологических возможностей за счет ступенчатого регулирования диапазона измерения крутящего момента, создаваемого настраиваемым гайковертом, упругий элемент размещен в корпусе перпендикулярно его оси, кинематическая связь упругого элемента с втулкой выполнена в виде Г-образного рычага, одно плечо которого закреплено на торце втулки, другое жестко связано с упругим элементом, а устройство снабжено установленными в корпусе перпендикулярно его оси с возможностью осевого фиксированного перемещения двумя шпильками и двумя дополнительными упругими элементами, каждый из которых одним концом закреплен на соответствующей шпильке и предназначен для взаимодействия с плечом Г-образного рычага, жестко связанного с упругим элементом. Кроме того, шпильки установлены в корпусе под углом 45 градусов к оси упругого элемента, а оси шпилек перпендикулярны одна другой. Недостатками этого устройства являются громоздкость взаимного расположения элементов внутренней кинематики, что обуславливает недостаточную технологичность конструкции в целом, вследствие труднодоступного размещения как основного упругого элемента с тензодатчиками, так и двух других вспомогательных, закрепленных на взаимно перпендикулярных шпильках. В совокупности это обуславливает высокую трудоемкость переналадок устройства на различные режимы работы, а также значительные затраты, связанные со способом измерений, реализованном на основе электротензометрии. Все это ограничивает технологические возможности, а в случае настройки устройств ударно-импульсного действия возникают значительные погрешности измерений. Ближайшим техническим решением (по устройству) является устройство для настройки гайковертов [6], содержащее основание, установленные на нем измерительный блок и электрически связанный с ним блок нагружения, включающий корпус, размещенную в нем с возможностью поворота втулку с центральным профильным отверстием, предназначенную для взаимодействия с головкой под ключ настраиваемого гайковерта, и закрепленный в корпусе одним концом упругий элемент с наклеенными на него тензодатчиками, другой конец которого кинематически связан с втулкой через Г-образный рычаг, одно плечо которого жестко связано с упругим элементом, а другое плечо закреплено на втулке, в котором для автоматизации измерений и удобства эксплуатации за счет повышения технологичности устройства упругий элемент размещен перпендикулярно оси профильного отверстия втулки, в корпусе ниже и параллельно оси основного упругого элемента размещен барабан, выполненный в продольном направлении в форме ступенчатого валика, на одном конце которого закреплены шесть дополнительных упругих элементов, кинематически связанных через Г-образный рычаг с основным упругим элементом, а другой конец барабана установлен с возможностью фиксированного поворота во втулке-подшипнике, запрессованной в корпус. Недостатками прототипа являются сложность элементов внутренней кинематики и само использование тензодатчиков, обуславливающих необходимость конструктивного исполнения устройства в виде двух блоков: измерительного и силового. Кроме того, использование методов электротензометрии, в целом, ограничивает технологические возможности и область применения, так как в случае контроля крутящего момента, приложенного в форме ударно-вращательных импульсов (при настройке гайковертов ударного действия), значительно возрастает погрешность измерений. Цель изобретения – расширение технологических возможностей и повышение точности измерений за счет пневматической схемы с сильфоном, включенным в режиме противодавления. Технический результат (по способу), вытекающий из цели изобретения, достигается тем, что берут пневмокамеру и закрепляют в ней герметично закрытый с одной стороны сильфон, разделяющий ее на две равные по объему взаимно изолированные пневмокамеры, затем подают сжатый воздух под давлением от 0,15 до 0,2 МПа одновременно внутрь и снаружи сильфона, при этом сжатый воздух воздействует на наружную поверхность сильфона и через эталонный зазор S1 между первым соплом и эталонной поверхностью, составляющий от 0,1 до 0,2 мм, сбрасывается в атмосферу; одновременно с этим, сжатый воздух воздействует на внутреннюю поверхность сильфона и через измерительный зазор S2 между вторым соплом и упругой пластиной, один конец которой прикреплен к корпусу пневмокамеры, составляющий от 0,1 до 0,2 мм также сбрасывается в атмосферу, далее к другому концу упругой пластины прикладывают контролируемый крутящий момент, деформируясь, упругая пластина изменяет измерительный зазор S2, при этом изменяется расход воздуха через измерительное и эталонное сопла, а также давление воздуха внутри и снаружи сильфона и гофры последнего начинают деформироваться, по степени перемещений гофр сильфона судят о величине приложенного крутящего момента. Таким образом, цель изобретения по способу достигнута как в части расширения технологических возможностей, так и по более точной регистрации внешних (как “плавных”, так и пульсирующих) нагрузок, чему способствует дополнительное “промежуточное рабочее тело” – воздушный зазор, реализуемый предлагаемым способом. Технический результат (по устройству), вытекающий из цели изобретения, достигается тем, что основание устройства с двумя прикрепленными к нему стойками, жестко удерживающими пластину-диск с запрессованым шарикоподшипником, во внутреннем кольце которого с возможностью поворота размещен ступенчатый валик, к верхней ступени которого прикладывается контролируемый крутящий момент, на торце нижней ступени валика жестко установлен Г-образный рычаг, к которому прикреплены правые части основной и дополнительной упругих пластин, левые части которых прикреплены к стойке, жестко установленной на основании и, за счет того что, на одной из стоек устройства установлена опорная пластина с пневмокамерой, внутри которой размещен сильфон, жестко прикрепленный одним своим торцом к опорной пластине, а другим герметично закрытым торцом контактирующий с подвижной ножкой индикатора часового типа, на опорной пластине закреплен угольник с регулировочным болтом и контргайкой, между торцом которого и выходным каналом пневмокамеры имеется зазор, пневматически связанный с наружной поверхностью сильфона; в отверстии другой стойки устройства закреплено измерительное сопло, установленное перпендикулярно к основной упругой пластине с зазором к ней и через штуцера и воздуховоды пневматически связанное с внутренней поверхностью снльфона. Функциональное назначение основной упругой пластины – совместно с измерительным соплом реагировать на прикладываемый крутящий момент, а это приводит к изменению измерительного зазора (фиксируемой величины при измерениях). Функциональное назначение дополнительной упругой пластины – обеспечивать тот или иной диапазон измерений крутящих моментов за счет “добавления жесткости” (различных толщин дополнительных упругих пластин). “Эталонная ветвь” устройства – это часть камеры, охватывающая наружную поверхность сильфона, через которую проходит сжатый воздух, и входной и выходной каналы камеры, а функции эталонной поверхности выполняет торец регулировочного болта. Выполнение измерительного сопла в форме пневматического наконечника, а эталонного сопла – в форме канала пневмокамеры, в которой размещен герметично закрытый с одного торца сильфон, разделяющий пневмокамеру на две взаимно изолированные пневматические ветви: измерительную и эталонную – в совокупности обеспечивают следующее. В случае поворота ступенчатого валика, Г-образный рычаг одновременно деформирует основную и дополнительную упругие пластины и, таким образом, изменяет измерительный зазор; а эталонное сопло, как элемент кинематики – отсутствует, а его функции выполняет канал в стенке пневмокамеры, что упрощает конструктивное исполнение устройства в целом и способствует повышению точности измерений. Наличие дополнительного упругого элемента (заменяемого), устанавливаемого параллельно основному – реализует “ступенчатое переключение” жесткости, то есть благодаря установке дополнительной упругой пластины соответствующей толщины возможен выбор требуемого диапазона измеряемых крутящих моментов. Таким образом, за счет вышеприведенных мероприятий: совокупности и последовательности действий по способу, форме и расположению элементов кинематики по устройству – цель изобретения представляется достигнутой. На фиг.1 представлена схема предлагаемого способа контроля крутящего момента; на фиг.2 – пневматическое устройство для реализации способа на фиг.1, основной разрез; на фиг.3 – то же, вид сверху на фиг.2; на фиг.4 – то же, разрез А-А на фиг.3. Схема реализации способа контроля крутящего момента содержит (фиг.1): пневматически связанные между собой – запорный вентиль В, фильтр-влагоотделитель ФВ, редукционный клапан со стабилизатором давления РК, манометр М, пневмодроссели эталонной и измерительной “ветвей” предлагаемой схемы Др.1 и Др. 2, пневмокамеру К с жестко закрепленным в ней одним торцом сильфоном СФ, другой герметично закрытый торец которого связан с блоком индикации БИ (например, с индикатором часового типа), эталонное сопло ЭС с эталонной поверхностью ЭП; установленные с зазором S1, измерительное сопло ИС с упругой пластиной УП, установленные с зазором S2, узел восприятия внешнего крутящего момента УМ (например, Г-образный рычаг, размещенный в шарикоподшипнике) механически связанный с упругой пластиной УП. При этом измерительный и эталонный зазоры схемы в исходном положении равны между собой, то есть S1=S2. Способ контроля крутящего момента реализуется следующим образом. Предварительно производят статическое нагружение-разгружение упругой пластины УП по стандартной методике для исключения явления гистерезиса из-за возможных пластических деформаций, а затем щупом выставляют эталонный S1 и измерительный S2 зазоры (в пределах 0,1-0,2 мм) соответственно между эталонной поверхностью ЭП и упругой пластиной УП. Далее проверяют прочность и надежность всех элементов пневматической схемы (трубопровода) с целью минимизации возможных утечек сжатого воздуха. Отрывают запорный вентиль В, и сжатый воздух под давлением 0,4-0,6 МПа от компрессора (не показан) или промышленной пневмосети поступает в фильтр-влагоотделитель ФВ, где очищается и затем попадает в редукционный клапан со стабилизатором давления, настройкой которого устанавливают давление на выходе из него в пределах 0,15-0,2 MПa, что контролируется манометром М. Затем поток сжатого воздуха разделяется на две “ветви”: эталонную – через дроссель Др.1, и измерительную – через дроссель Др.2. Проходя далее по этим “ветвям”, два потока сжатого воздуха одновременно попадают в пневмокамеру К, воздействуют на наружную и внутреннюю поверхности сильфона СФ и в тоже время стравливаются в атмосферу через эталонный S1 и измерительный S2 зазоры, образованные соплами с эталонной поверхностью ЭП и упругой пластиной УП. В случае равенства этих зазоров S1=S2, сильфон СФ будет находиться в состоянии покоя”, так как давление сжатого воздуха внутри и снаружи сильфона будет одинаковым (взаимно уравновешен). При этом блок индикации БИ (например, индикатор часового типа), контактирующий с незакрепленным торцом сильфона СФ, будет показывать нулевую отметку. Для более точной настройки нулевой отметки блока индикации БИ могут использоваться пневмодроссели Др.1 и Др.2. Таким образом, схема (фиг.1) находится в состоянии равновесия и готова к реализации предлагаемого способа измерений крутящих моментов. Приложив к узлу восприятия крутящего момента УМ – измеряемый крутящий момент (например, от гайковерта через Г-образный рычаг), упругая пластина УП деформируется и изменяет величину измерительного зазора S2 между измерительным соплом ИС и первой (то есть упругой пластиной УП), что приводит к выходу пневматической схемы из состояния равновесия и происходит ее разбаланс, так как S1  S2. При этом изменяется расход воздуха через измерительное ИС и эталонное ЭС сопла, а также давление воздуха внутри и снаружи сильфона СФ и гофры последнего (то есть сильфона СФ) начинают деформироваться, и по степени перемещений гофр сильфона СФ судят о величине приложенного крутящего момента посредством визуального отсчета сигнала с блока индикации БИ.
Пневматическое устройство, реализующее вышеописанный способ (фиг.1) и предназначенное для измерения крутящих моментов (например, гайковертов), содержит (фиг.2): основание 1 и крышку 2 с прикрепленными к нему стойками 3 и 4, жестко удерживающими пластину-диск 5, с запрессованным шарикоподшипником 6, во внутреннем кольце которого с возможностью поворота размещен ступенчатый валик 7, к верхней ступени которого прикладывается контролируемый крутящий момент, на торце нижней ступени валика 7 жестко установлен Г-образный рычаг 8 (фиг.3 и 4), к которому болтами 9 и 10 прикреплены правые части основной 11 и дополнительной 12 упругих пластин (фиг.4), левые части которых болтами 13 и 14 прикреплены к стойке 15 (фиг.3 и 4), жестко установленной на основании 1.
На нижней части стойки 4 (фиг.2) установлена опорная пластина 16 с пневмокамерой 17, внутри которой размещен сильфон 18, жестко прикрепленный одним своим торцом к опорной пластине 16, а другим герметично закрытым торцом контактирующий с подвижной ножкой 19 индикатора часового типа (фиг.3).
На опорной пластине 16 также закреплен угольник 20 (фиг.3) с регулировочным болтом 21 с контргайкой 22, между торцом которого и выходным каналом 23 пневмокамеры 17 имеется эталонный зазор S1, пневматически связанный с наружной поверхностью сильфона 18 через канал 24 и штуцер 25; а в совокупности это – “эталонная ветвь” пневматического устройства.
Измерительное сопло 26 установлено с зазором S2=0,1-0,2 мм перпендикулярно к основной упругой пластине 11 (фиг.2) в отверстие стойки 3 и через воздухопровод 27 и штуцер 28 пневматически связано с внутренней поверхностью сильфона 18 и входными каналом 29 и штуцером 30 (фиг.3); в совокупности это “измерительная ветвь” пневматического устройства.
Таким образом, наружная и внутренняя поверхности сильфона 18 принадлежат соответственно к эталонной и измерительной “ветвям” пневматического устройства (режим противодавления), реализующего предлагаемый способ контроля крутящего момента (фиг.1).
Пневматическое устройство работает следующим образом.
Предварительно болтами 10 и 14 закрепляется дополнительная упругая пластина 12 (фил 4), толщина которой в совокупности с основной (несменяемой) упругой пластиной 11 подбирается на основе расчетов для измеряемого диапазона крутящих моментов (из условий допускаемого прогиба).
Затем к торцу сильфона 18 присоединяют блок индикации (например, устанавливают с натягом  1 мм подвижную ножку индикатора часового типа). С помощью щупов (не показаны) выставляются и фиксируются однинаковые значения (0,1-0,2 мм) эталонного S1 и измерительного S2 зазоров.
После этого пневматическое устройство (фиг. 2, 3 и 4) подключается к пневмосети через пневмодроссели (не показаны), в частности к устройствам подготовки воздуха (вентиль, фильтр-влагоотделитель, маслораспылитель, редукционный клапан со стабилизатором давления и манометром). Вентилем (на фиг. 2,3 и 4 не показан) открывают доступ сжатого воздуха (давлением 0,1-0,2 МПа) одновременно в эталонную и измерительную ветви.
При этом в “эталонную ветвь” сжатый воздух проходит через штуцер 25, канал 26 попадает во внутреннюю полость пневмокамеры 17 (фиг.3 и 2), давит на наружную поверхность сильфона 18 и через выходной канал 23 стравливается в атмосферу; в “измерительную ветвь” сжатый воздух проходит через штуцер 30, канал 29 давит на внутреннюю поверхность сильфона 18 и через штуцер 28, воздухопровод 27, измерительное сопло 26 также стравливается в атмосферу.
Пневмодросселями эталонной и измерительной ветвей (не показаны) при необходимости производится тонкая поднастройка (устанавливается более точное равенство давлений в обеих “ветвях”). Дополнительной точкой тонкой поднастройки является блок индикации (например, индикатор часового типа, который “поправляют” на нуль).
Далее к ступенчатому валику 7 (фиг.2 и 4) прикладывают крутящий момент от испытуемого устройства (не показан), и последний, поворачиваясь на некоторый угол, через Г-образный рычаг 8 одновременно изгибает правые концы основной 11 в дополнительной 12 упругих пластин относительно их левых концов, жестко прикрепленных болтами 13 и 14 к стойке 15 (фиг.4). При этом изменяется величина измерительного зазора (S1S2) между измерительным соплом 26 и основной упругой пластиной 11 (фиг.2 и 3), что приводит к изменению давления и расхода воздуха во всей “измерительной ветви”, в том числе и внутри сильфона 18, и гофры последнего начинают перемещаться, а величина этих перемещений передается на подвижную ножку 19 индикатора часового типа, шкала которого проградуирована в единицах крутящего момента (Нм).
При этом тарировка пневматического устройства (построение зависимостей показаний шкалы блока индикации в Нм от величины изгиба упругих пластин 11 и 12) выполняется предварительно для каждого диапазона измерений с помощью грузов.
Таким образом, процесс измерений полностью завершен и пневматическое устройство отключают от пневмосети или вновь повторяют рабочий цикл со следующим настраиваемым устройством (например, другим гайковертом).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
2. 3иняев В. И., Ямпольский О.А. Пневмотензометрический метод контроля усилия затяжки резьбовых соединений. – Вестник машиностроения, 1968, 3, с. 48-49.
Формула изобретения
РИСУНКИ
MM4A Досрочное прекращение действия патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе
Дата прекращения действия патента: 03.02.2003
Номер и год публикации бюллетеня: 8-2004
Извещение опубликовано: 20.03.2004
|
||||||||||||||||||||||||||
