Стенд для определения усилий резания грунта

 

Изобретение относится к испытательной технике, в частности к определению усилий резания грунта, и может быть использовано для измерения сил, возникающих на гребном валу и лопастях гребного винта ледоколов и судов активного ледового плавания. Сущность: стенд содержит основание с установленным на нем приводным двигателем, соединенным с гребным валом, тележку с испытуемым грунтом, датчики скорости вращения вала и скорости перемещения тележки и размещенные на гребном валу режущий инструмент в виде двух лопастей гребного винта с закрепленными на нем измерительными преобразователями контактного давления, измерительные преобразователи сил и моментов гребного вала и усилители сигналов измерительных преобразователей, связанные через токосъемник с регистратором. Стенд дополнительно снабжен измерительными преобразователями деформации лопасти, закрепленными на поверхности режущего инструмента, датчиком углового положения режущего инструмента и логическим устройством переключения измерительных преобразователей режущего инструмента, закрепленных на гребном валу. Технический результат изобретения - повышение эффективности использования стенда за счет получения на нем новых качественных характеристик, необходимых для оценки напряженного состояния режущего инструмента, более эффективное использование испытуемого образца грунта (льда), снижение затрат времени на проведение испытаний. 2 ил.

Изобретение относится к испытательной технике, в частности к определению усилий резания грунта, и может быть использовано для измерения сил, возникающих на гребном валу и лопастях гребного винта ледоколов и судов активного ледового плавания при их взаимодействии со льдом, распределения контактных давлений и напряжений на поверхности режущего инструмента.

Известен стенд для определения усилий резания грунта, выполненный в соответствии с патентом РФ N 2085903, кл. G 01 N 3/58, содержащий основание с установленным на нем приводным двигателем, соединенным с гребным валом, тележку с испытуемым грунтом, датчики скорости вращения вала и скорости перемещения тележки и размещенные на гребном валу режущий инструмент в виде двух лопастей гребного винта с закрепленными на нем измерительными преобразователями контактного давления, измерительные преобразователи сил и моментов гребного вала и усилители сигналов измерительных преобразователей, связанные через токосъемник с регистратором, принятый за прототип.

Недостатком известного стенда являются его ограниченные функциональные возможности. Он, в частности, не позволяет определять напряженное состояние режущего инструмента. Измеряемые на гребном валу осевая сила и моменты имеют важное значение для оценки напряженного состояния гребного вала и передаваемых через него ледовых нагрузок упорному подшипнику и корпусу судна. Однако они не дают достаточной информации для оценки напряженного состояния лопастей гребного винта, так же как и датчики контактного давления, позволяющие оценить распределение только нормальных к поверхности лопасти сил в зоне контакта ее со льдом.

Другой недостаток известного стенда состоит в неэффективном использовании испытуемого образца грунта (или льда). Дело в том, что в режущем инструменте, выполненном в виде двух диаметрально расположенных лопастей гребного винта, только одна лопасть оснащена измерительными преобразователями, в то время как вторая лопасть режущего инструмента служит только балансиром для исключения инерционных нагрузок и в процессе испытаний фрезерует лед, но не дает дополнительной информации о силовом взаимодействии лопасти со льдом и ее напряженном состоянии. Однако расширение функциональных возможностей известного стенда и более эффективное его использование невозможно без изменения электрической схемы передачи информации от измерительных преобразователей, расположенных на гребном валу и режущем инструменте, к стационарно расположенному регистратору. Ввиду значительного количества измерительных преобразователей, которыми оснащен стенд, ограниченные возможности токосъемника являются еще одним недостатком известного стенда. В связи с этим приходится проводить две серии испытаний, в каждой из которых подключается к регистратору только часть измерительных преобразователей.

Невозможность одновременных измерений с помощью всех датчиков, которыми оснащен стенд, на одном образце льда и при одинаковых внешних условиях, необходимость проведения повторной серии испытаний на другом образце льда, который может иметь отличные от первого физико-механические характеристики, ограничивает эксплуатационные характеристики стенда, увеличивает затраты времени на проведение испытаний.

Заявленное изобретение направлено на решение задачи повышения эффективности использования стенда за счет получения на нем новых качественных характеристик, необходимых для оценки напряженного состояния режущего инструмента, более эффективное использование испытуемого образца грунта (льда) путем оснащения измерительными датчиками обеих лопастей режущего инструмента, снижение затрат времени на проведение испытаний.

Для этого стенд для определения усилий резания грунта, содержащий основание с установленным на нем приводным двигателем, соединенным с гребным валом, тележку с испытуемым грунтом, датчики скорости вращения вала и скорости перемещения тележки и размещенные на гребном валу режущий инструмент в виде двух лопастей гребного винта с закрепленными на нем измерительными преобразователями контактного давления, измерительные преобразователи сил и моментов гребного вала и усилители сигналов измерительных преобразователей, связанные через токосъемник с регистратором, дополнительно снабжен измерительными преобразователями деформации лопасти, закрепленными на поверхности режущего инструмента, датчиком углового положения режущего инструмента и логическим устройством переключения измерительных преобразователей режущего инструмента, закрепленных на гребном валу, при этом логическое устройство переключения измерительных преобразователей режущего инструмента выполнено в виде последовательно соединенных триггера, двух усилителей и двух групп реле с двумя группами контактов, установленных между выходами усилителей сигналов измерительных преобразователей режущего инструмента и токосъемником, причем один из выходов триггера связан с группами реле, контакты которых установлены между измерительными преобразователями одной лопасти и токосъемником, а другой выход триггера связан с группой реле, контакты которых установлены между измерительными преобразователями другой лопасти и токосъемником, а датчик углового положения режущего инструмента выполнен в виде двух герконов, закрепленных на гребном валу в диаметрально противоположных точках, и постоянного магнита, установленного на основании стенда, при этом выходы герконов электрически соединены со входами триггера логического устройства переключения измерительных преобразователей режущего инструмента.

Размещение измерительных преобразователей на обеих лопастях режущего инструмента и их автоматическое поочередное подключение к токосъемнику через каждые пол-оборота гребного вала в момент времени, предшествующий вхождению соответствующей лопасти в лед, и отключение измерительных преобразователей этой лопасти через пол-оборота вала после выхода лопасти из испытуемого образца льда и одновременно подключение измерительных преобразователей второй лопасти обеспечивают более эффективное использование стенда и испытуемого образца льда. Подключение к токосъемнику измерительных преобразователей входящей в лед лопасти и отключение измерительных преобразователей от токосъемника вышедшей из образца льда лопасти осуществляется автоматически с помощью логического устройства переключения измерительных преобразователей, которое управляется импульсами от датчика углового положения режущего инструмента.

Оснащение режущего инструмента преобразователями деформации лопасти придает стенду новые качественные характеристики, необходимые для оценки оптимальной геометрии режущего инструмента, обеспечивающей наименее энергоемкий способ разрушения льда.

Сущность заявленного изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 показано устройство в целом, на фиг. 2 - функциональная схема подключения измерительных преобразователей, смонтированных на гребном валу и режущем инструменте, через токосъемник к регистратору.

Стенд состоит (фиг. 1) из основания 1, на котором установлены приводной двигатель 2, редуктор 3, опоры 4, 5. На опорах подвешен гребной вал 6 и промежуточный вал 7, связанные между собой и с приводным двигателем через муфту 8. На промежуточном валу закреплена инерционная масса 9, а промежуточный вал связан с редуктором через эластичную муфту 10. Гребной вал оборудован тензометрическим динамометром осевой силы, изгибающего и крутящего моментов 11, датчиком скорости вращения вала 12 и токосъемником 13. На консольно установленном участке гребного вала закреплен режущий инструмент 14 в виде двух диаметрально расположенных лопастей гребного винта. По рельсовому пути 15 на ходовых колесах перемещается относительно режущего инструмента тележка 16, на которой закреплен образец льда или смерзшегося грунта 17. Перемещение тележки осуществляется с помощью бесконечного троса 18, связанного с барабаном 19 механической лебедки. Трос проходит через блок 20, закрепленный на оси подвижного кронштейна 21. На тележке установлен датчик скорости 22 поступательного перемещения тележки. На ферме установлено подвижно подъемное устройство 23.

Стенд оборудован устройством натяжения троса, содержащим червячный редуктор 24, ходовой винт 25, неподвижную опору 26, подвижную гайку 27 с двумя тягами 28.

На режущем инструменте (фиг. 2) размещены датчики контактного давления 29, индикатор зоны контакта 30, измерительные преобразователи деформации 31. Преобразователи 31 установлены в различных сечениях лопасти, причем в каждой ограниченной области лопасти они установлены в трех направлениях.

Гребной вал оборудован датчиком углового положения режущего инструмента, выполненным в виде герконов 32 и 33, закрепленных на гребном валу в диаметрально противоположных точках, и постоянного магнита 34, установленного на основании стенда 1.

На гребном валу закреплено логическое устройство 35 переключения измерительных преобразователей режущего инструмента. Логическое устройство 35 выполнено в виде триггера 36, имеющего два устойчивых состояния, с выходами которого последовательно соединены два усилителя 37 и 38 с двумя группами реле 39 и 40 с переключаемыми группами контактов 41, 42. Выходы герконов 32 и 33 соединены с управляющими входами R и S триггера 36.

Выходы измерительных преобразователей осевой силы P, изгибающих M_и и крутящего Q моментов гребного вала 11 через усилители сигналов 43 и токосъемное устройство 13 соединены с регистратором 44. Выходы измерительных преобразователей контактного давления 29 (P_к1...P_кi) и измерительных преобразователей деформации лопасти 31 (ε₁...ε_i) через усилители сигналов 43, контактные группы 41, 42 и токосъемное устройство 13 также соединены с регистратором 44.

Стенд работает следующим образом. С помощью двигателя 2 и редуктора 3 задают необходимую скорость вращения режущему инструменту 14, которую фиксируют датчиком 12. С помощью механической лебедки 19 и бесконечного троса 18 приводится в движение тележка 16 со льдом 17 по рельсовому пути 15 относительно режущего инструмента. Скорость перемещения тележки фиксируется датчиком 22.

Силы, возникающие на режущем инструменте 14, измеряются динамометром 11, содержащим датчики осевой силы, крутящего и изгибающих моментов, расположенным на гребном валу, и непрерывно регистрируются на регистраторе 44. Контактные давления P_к1...P_кi, возникающие на лопасти 14, измеряются преобразователями контактного давления 29, и в течение времени, пока замкнуты контакты 41, эта информация передается через токосъемник 13 к регистратору 44.

Деформации ε₁...ε_i в трех направлениях лопасти (0^o, 45^o, 90^o), измеряемые преобразователями 31, по которым затем рассчитываются напряжения в лопасти, передаются к регистратору 44 через те же кольца токосъемника 13 в промежутки времени, когда контактная группа 41 разомкнута, а замкнуты контакты 42. Управление переключением контактных групп 41 и 42 производится логическим устройством 35. Логическое устройство 35 работает следующим образом. При прохождении геркона 32 мимо магнита 34 контакты геркона 32 замыкаются и на управляющий вход S триггера 36 подается положительный импульс, который переключает (опрокидывает) триггер в другое устойчивое состояние. При этом открывается усилитель 37, срабатывает группа реле 39 (в группе реле могут быть последовательно соединены несколько реле, обеспечивающие коммутацию всех измерительных преобразователей деформации, или контактного давления) и замыкает свои контакты 41. Одновременно закрывается усилитель 38, обесточивается группа реле 40 и размыкаются контакты 42. В течение пол-оборота гребного вала с регистратором 44 через токосъемник 13 соединены выходы датчиков контактного давления 29. Через некоторый промежуток времени после опрокидывания триггера 36, в момент вхождения лопасти в образец льда, информация о контактных давлениях в зоне контакта лопасти со льдом, измеряемых преобразователями 29, передается на регистратор. При этом противоположная лопасть режущего инструмента, оснащенная преобразователями деформации 31, находится в воздухе и, следовательно, не контактирует со льдом, т.е. деформации в ней отсутствуют. Через пол-оборота гребного вала лопасть, оснащенная преобразователями контактного давления 29, выходит из испытуемого образца льда, а противоположная лопасть с преобразователями деформации 31 подходит к образцу льда. В момент времени, когда геркон 33 проходит мимо магнита 34, замыкаются контакты геркона 33; на управляющий вход R триггера 36 подается положительный импульс, который переключает (опрокидывает) триггер в другое устойчивое состояние. При этом открывается усилитель 38, срабатывает группа реле 40, замыкаются их контакты 42. Регистратор 44 фиксирует деформации в лопасти, измеряемые преобразователями 31. При этом противоположная лопасть с преобразователями контактного давления 29 находится в воздухе и, следовательно, разгружена.

Таким образом, информация от датчиков сил и моментов гребного вала, нагруженных независимо от того, какая лопасть контактирует со льдом, передается на регистратор непрерывно. А информация от преобразователей, закрепленных на лопастях режущего инструмента, передается на регистратор 44 поочередно, в зависимости от того, какая лопасть в данный момент контактирует со льдом. Несмотря на поочередность подключения преобразователей деформации и контактного давления, потери информации не происходит.

Одновременная и синхронная запись возникающих на валу сил и моментов, деформаций и контактных давлений на режущем инструменте позволяет определить местную и общую прочность инструмента, его износостойкость, а также закон распределения нагрузок по поверхности резания и напряжений в теле лопасти, необходимых для выбора оптимальной геометрии режущего инструмента, обеспечивающей наименее энергоемкий и наиболее производительный способ резания.

Формула изобретения

Стенд для определения усилий резания грунта, содержащий основание с установленным на нем приводным двигателем, соединенным с гребным валом, тележку с испытуемым грунтом, датчики скорости вращения вала и скорости перемещения тележки и размещенные на гребном валу режущий инструмент в виде двух лопастей гребного винта с закрепленными на нем измерительными преобразователями контактного давления, измерительные преобразователи сил и моментов гребного вала и усилители сигналов измерительных преобразователей, связанные через токосъемник с регистратором, отличающийся тем, что он дополнительно снабжен измерительными преобразователями деформации лопасти, закрепленными на поверхности режущего инструмента, датчиком углового положения режущего инструмента и логическим устройством переключения измерительных преобразователей режущего инструмента, закрепленных на гребном валу, при этом логическое устройство переключения измерительных преобразователей режущего инструмента выполнено в виде последовательно соединенных триггера, двух усилителей и двух групп реле с двумя группами контактов, установленных между выходами усилителей сигналов измерительных преобразователей режущего инструмента и токосъемником, причем один из выходов триггера связан с группой реле, контакты которых установлены между измерительными преобразователями одной лопасти и токосъемником, а другой выход триггера связан с группой реле, контакты которых установлены между измерительными преобразователями другой лопасти и токосъемником, а датчик углового положения режущего инструмента выполнен в виде двух герконов, закрепленных на гребном валу в диаметрально противоположных точках, и постоянного магнита, установленного на основании стенда, при этом выходы герконов электрически соединены со входами триггера логического устройства переключения измерительных преобразователей режущего инструмента.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2