ipolytechiPolytech JournaliPolytech Journal2782-40042782-6341Irkutsk National Research Technical University10.21285/1814-3520-2023-2-241-249ipolytech-702Research ArticleМАШИНОСТРОЕНИЕMECHANICAL ENGINEERINGТрехкомпонентный тензометрический датчик для точного измерения колебания нагрузокThree-component strain gauge for precise measurement of load fluctuationsЖавыркинВ. В.ZhavyrkinV. V.

Жавыркин Вадим Витальевич – аспирант.

127994, Москва, ул. Образцова, 9/9

Vadim V. Zhavyrkin - Postgraduate Student.

9/9, Obraztsov St., Moscow 127994

zhavyrkinv@mail.ruСладковаЛ. А.SladkovaL. A.

Сладкова Любовь Александровна - доктор технических наук, профессор, профессор кафедры «Наземные транспортно-технологические средства».

127994, Москва, ул. Образцова, 9/9

Liubov А. Sladkova - Dr. Sci. (Eng.), Professor, Professor of the Department of Ground Transportation and Technological Vehicles.

9/9, Obraztsov St., Moscow 127994

rich.cat2012@yandex.ruРоссийский университет транспортаРоссияRussian University of TransportRussian Federation202307072023272241249Copyright © Жавыркин В.В., Сладкова Л.А., 20232023Жавыркин В.В., Сладкова Л.А.Zhavyrkin V.V., Sladkova L.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://ipolytech.elpub.ru/jour/article/view/702

Цель – определение и оценка нагруженности большемерных элементов конструкций машин с использованием универсальных тензометрических датчиков. При создании универсального тензодатчика использовались системный анализ отказов и недостатков при изготовлении и эксплуатации большемерных конструкций, тензометрирование, методы сопротивления материалов и теории упругости кольцевых упругих элементов. Для расчета рациональных параметров датчика был использован программный продукт ANSIS. На основе исследования упругого деформирования колец (определение жесткости и напряженно-деформированного состояния) предложена замена кольцевой формы на восьмигранный многоугольник. Показано, что выбранная форма дает возможность проводить на восьмиграннике размещение тензодатчиков для одновременного измерения усилий растяжения-сжатия, изгиба и кручения, возникающих в элементе конструкции машины, либо при изготовлении большемерных поверхностей. На основании полученных результатов предложены зависимости, позволяющие определять погрешность измерений датчиком. Сравнительный анализ работы кольцевых и восьмигранных датчиков позволил отметить уникальные особенности восьмигранного (октаэдного) датчика, возможность оценки с высокой степенью точности измеряемых величин по трем координатным осям. Проведенные исследования показали, что предполагаемые датчики напряжений позволяют фиксировать величину и колебания нагрузок с высокой точностью измерения. Предлагаемая схема размещения датчиков дает возможность находить вертикальную и горизонтальные составляющие усилий, возникающих в элементе конструкции, и показывает отклонения в процессе измерений. Также предлагаемая схема измерений позволяет минимизировать погрешность взаимного влияния датчиков. Разработанный силоизмерительявляется универсальной конструкцией и может использоваться для фиксирования статических и динамических воздействий и применяться для цифрового контроля силовых параметров в диапазоне действия до 5 мм.

The aim was to assess the loading of large-size elements of machine structures using versatile strain gauges. A strain gauge was developed using a system analysis of failures and deficiencies in the manufacture and operation of large-scale structures, strain gauging, strength of materials methods, as well as the theory of elasticity of ring elastic elements. The ANSIS software package was used to calculate rational sensor parameters. The conducted study of ring elastic deformation (determination of stiffness and stress-strain state) allowed the authors to propose that the ring shape should be replaced by an octahedral polygon. This form is suitable for mounting strain gauges for simultaneous measurement of tension and compression, as well as bending and torsion, i.e., forces arising in a machine structural element or in the manufacture of large-size surfaces. The obtained results were used to derive dependences to determine the measurement error of the gauge under study. A comparative analysis of ring and octahedral gauges identified unique features of the latter, consisting in the possibility of assessing the measured values along the three coordinate axes with a high degree of accuracy. The conducted research shows that the proposed strain gauges are capable of registering the magnitude and fluctuations of loads with a high measurement accuracy. The proposed scheme of gauge placement makes it possible to determine the vertical and horizontal components of the forces arising in a structural element and to assess deviations in the process of measurement. In addition, the proposed measuring scheme minimizes the error of mutual influence of sensors. The developed force meter is a versatile device that can be used for registering static and dynamic impacts, as well as for digital control of force parameters in the range of up to 5 mm.

тензодатчиксилоизмерительнагруженность конструкцийиспытанияизмерениекомпенсация погрешности измеренийstrain gauge meterforce gaugestructure loadtestsmeasurementmeasurement error compensationReferencesБеззубов А.А., Шорин В.А. Остаточные напряжения в элементах конструкций и их влияние на прочность // Инновации технических решений в машиностроении и транспорте: сб. статей VII Всероссийской науч.-техн. конф. для молодых ученых и студентов с международным участием (г. Пенза, 16–17 марта 2021 г.). Пенза: Пензенский государственный аграрный университет, 2021. С. 33–37.Bezzubov A.A., Shorin V.A. Structural element residual stresses and their influence on strength. In: Innovacii tekhnicheskih reshenij v mashinostroenii i transporte: sbornik statej VII Vserossijskoj nauchno-tekhnicheskoj konferencii dlya molodyh uchenyh i studentov s mezhdunarodnym uchastiem = Innovative engineering solutions in mechanical engineering and transport: Collected articles of the 7th All-Russian scientific and technical conference for young scientists and students with international participation. 16–17 March 2021, Penza. Penza: Penza State Agrarian University; 2021, р. 33-37. (In Russ.).Климов С.О., Аносов А.П., Восковщук Н.И., Бессонова В.О. Экспериментальное определение крутящего момента, действующего на корпус судна // Научно-технический сборник Российского морского регистра судоходства. 2021. № 62-63. С. 100–105.Klimov S.O., Anosov A.P., Voskovshchuk N.I., Bessonova V.O. Experimental determination of torque acting on a ship hull. Nauchno-tekhnicheskij sbornik Rossijskogo morskogo registra sudohodstva = Research Bulletin by Russian Maritime Register of Shipping. 2021;62-63:100-105. (In Russ.).Баутин А.А. Мониторинг элементов авиационных конструкций по данным тензометрии // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2019. Т. 85. № 1-1. С. 57–63. https://doi.org/10.26896/1028-6861-2019-85-1-I-57-63.Bautin A.A. Monitoring of the elements of aviation structures using strain-gauge measurement. Zavodskaya laboratoriya. Diagnostika materialov. 2019;85(1-1):57-63. (In Russ.). https://doi.org/10.26896/1028-6861-2019-85-1-I-57-63.Локтионов А.П. Об измерении навесными датчиками поперечных сил и изгибающих моментов на звеньях машин и приборов // Методы и приборы для измерения и воспроизведения силы момента в приборостроении: тез. докл. к областному семинару (г. Пенза, 22–23 октября 1981 г.). Пенза: Пензенский Дом научно-технической пропаганды, 1981. С. 18–19.Loktionov A.P. On measurement of transverse forces and bending moments on machine and device links by attached sensors. In: Metody i pribory dlya izmereniya i vosproizvedeniya sily momenta v priborostroenii: tezisy dokladov k oblastnomu seminaru = Methods and devices for measuring and reproducing the moment force in tool engineering: report abstracts to the regional seminar. 22–23 October 1981, Penza. Penza: Penzenskij Dom nauchno-tekhnicheskoj propagandy; 1981, р. 18-19. (In Russ.).Неумоин М.И., Столяров А.С. Разработка установки для измерения силовых параметров в затягиваемом резьбовом соединении // Неделя науки Санкт-Петербургского государственного морского технического университета. 2019. Т. 1. № 1. С. 136.Neumoin M.I., Stolyarov A.S. Development of test stand for measurements of forces and torques in threaded joints. Nedelya nauki Sankt-Peterburgskogo gosudarstvennogo morskogo tekhnicheskogo universiteta. 2019;1(1):136. (In Russ.).Batra A., Shankar K., Swarnamani S. Propulsion shaft alignment measurements on warships afloat and alignment solution using multiobjective optimization // Journal of Marine Engineering & Technology. 2007. Vol. 6. Iss. 1. Р. 39–49. https://doi.org/10.1080/20464177.2007.11020200.Batra A., Shankar K., Swarnamani S. Propulsion shaft alignment measurements on warships afloat and alignment solution using multiobjective optimization. Journal of Marine Engineering & Technology. 2007;6(1):39-49. https://doi.org/10.1080/20464177.2007.11020200.Шубарев В., Мельников В., Иванов Н., Калинин В., Силаков Д., Лукьянов В. [и др.]. Математическое моделирование процесса сборки силоизмерительной шайбы // Электроника: наука, технология, бизнес. 2013. № S. С. 32–39.Shubarev V., Mel'nikov V., Ivanov N. Kalinin V., Silakov D., Luk'yanov V., et al. Mathematical modeling of forcemeasuring washer assembling process. Elektronika: nauka, tekhnologiya, biznes = Electronics: Science, Technology, Business. 2013;S:32-39. (In Russ.).Лаврушин М.Ю. Датчик для измерения ударных контактных сил // Инженерно-физические проблемы новой техники: сб. матер. XIV Всерос. науч.-техн. конф. с междунар. участием, посвящ. 85-летию со дня рождения заслуженного работника ВШ РФ, доктора физико-математических наук, профессора М.И. Киселёва (г. Москва, 17–19 марта 2020 г.). М.: ООО «Диона», 2020. С. 51–55.Lavrushin M.Yu. Sensor for shock contact force measurement. Inzhenerno-fizicheskie problemy novoj tekhniki: sbornik materialov XIV Vserossijskoj nauchno-tekhnicheskoj konferencii s mezhdunarodnym uchastiem, posvyashchyonnoj 85-letiyu so dnya rozhdeniya zasluzhennogo rabotnika VSh RF, doktora fiziko-matematicheskih nauk, professora M.I. Kiselyova = Engineering and physical problems of new equipment: Collected materials of the 14th All-Russian scientific and technical conference with international participation, dedicated to the 85th birth anniversary of the Honored Worker of the Higher School of the Russian Federation, Doctor of Physical and Mathematical Sciences, Professor M.I. Kiselev. 17–19 March 2020, Moscow. Moscow: OOO “Diona”; 2020, р. 51-55. (In Russ.).Голованов В.К., Елхов В.В. Конструкция бескорпусного датчика силы // Известия Волгоградского государственного технического университета. 2014. № 8. С. 18–20.Golovanov V.K., Elhov V.V. The design of the unpackaged force sensor. Izvestiya Volgogradskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta. 2014;8:18-20. (In Russ.).Micheletti G.F., Koening W., Victor H.R. In-process tool wear sensors for cutting operations // CIRP Annals. 1976. Vol. 25. P. 483–496.Micheletti G.F., Koening W., Victor H.R. In-process tool wear sensors for cutting operations. CIRP Annals. 1976;25;483-496.Shaw M.C. Metal Cutting Principles. Oxford: Clarendon Press, 1996. 594 р.Shaw M.C. Metal Cutting Principles. Oxford: Clarendon Press; 1996, 594 р.Болсуновский С., Вермель В., Губанов Г. Применение специальных гасителей вибраций при чистовом фрезеровании тонкостенных деталей // САПР и графика. 2014. № 8. С. 110–112.Bolsunovskij S., Vermel' V., Gubanov G. Using special vibration dampers in thin-walled part finishing milling. SAPR i grafika. 2014;8:110-112. (In Russ.).Проценко И.Г., Брусенцов Ю.А. Определение механических деформаций и напряжений полупроводниковыми тензочувствительными элементами // Вопросы современной науки и практики. Университет им. В.И. Вернадского. 2014. № 1. С. 272–280.Protsenko I.G., Brusentsov Yu.A. Measuring mechanical strains and stresses by semiconductor gage elements. Voprosy sovremennoj nauki i praktiki. Universitet im. V.I. Vernadskogo. 2014;1:272-280. (In Russ.).Tanimura M., Uryû N. Influence of the field strength and direction on the magnetic phases of an antiferromagnet with uniaxial anisotropy // Journal of the Physical Society of Japan. 1980. Vol. 49. Iss. 6. P. 2152–2158.Tanimura M., Uryû N. Influence of the field strength and direction on the magnetic phases of an antifer -romagnet with uniaxial anisotropy. Journal of the Physical Society of Japan. 1980;49(6):2152-2158.Михеев Р.Е., Зуева Е.С., Котряхова Е.А. Мост Уитстона и его применение на железной дороге // Актуальные проблемы математики, механики, естествознания и образования: сб. ст. Всерос. науч.-практ. конф., посвящ. 100летию профессора А.А. Шестакова (г. Москва, 23–24 апреля 2020 г.). М.: Российский университет транспорта, 2021. С. 102–105.Mikheev R.E., Zueva E.S., Kotryahova E.A. Wheatstone bridge and its application on the railway. Aktual'nye problemy matematiki, mekhaniki, estestvoznaniya i obrazovaniya: sbornik statej Vserossijskoj nauchno-prakticheskoj konferencii, posvyashchennoj 100-letiyu professora A.A. Shestakova = Topical problems of mathematics, mechanics, natural sciences and education: collected articles of All-Russian scientific and practical conference dedicated to the 100th birth anniversary of the Professor A.A. Shestakov. 23–24 April 2020, Moscow. Moscow: Russian University of Transport; 2021, р. 102-105. (In Russ.).Максимов Н.М., Корнякова О.Ю., Головань И.Н. О методах повышения динамической точности многомассовых электромеханических систем с учетом упругих податливостей // Актуальные научные исследования в современном мире. 2021. № 10-10. С. 57–60.Maksimov N.M., Kornyakova O.Yu., Golovan I.N. Methods of increasing the dynamic accuracy of multi-mass electromechanical systems taking into account elastic compliance. Aktual'nye nauchnye issledovaniya v sovremennom mire. 2021;10-10:57-60. (In Russ.).Калмыкова А.В., Дхар П., Узинцев О.Е. Тарировка электротензометра // Вестник Россий ского университета дружбы народов. Серия: Инженерные исследования. 2012. № 2. С. 5–15.Kalmakova A., Dkhar P., Uzintsev О. Calibration of stress meter. Vestnik Rossiiskogo universiteta druzhby narodov. Seriya: Inzhenernye issledovaniya = Rudn Journal of Engineering Research. 2012;2:5-15.Savage P.G. Strapdown system performance analysis // RTO Lecture Series 232, Advances in Navigation Sensors and Integration Technology. St. Petersburg, 2004. P. 4-1–4-33.Savage P.G. Strapdown system performance analysis. In: RTO Lecture Series 232, Advances in Navigation Sensors and Integration Technology. St. Petersburg; 2004, p. 4-1–4-33.Zhang Hongliang, Wu Yuanxin, Wu Wenqi, Wu Meiping, Hu Xiaoping. Improved multi-position calibration for inertial measurement units // Measurement Science and Technology. 2009. Vol. 21. Iss. 1. Р. 015107. https://doi.org/10.1088/0957-0233/21/1/015107.Zhang Hongliang, Wu Yuanxin, Wu Wenqi, Wu Meiping, Hu Xiaoping. Improved multi-position calibration for inertial measurement units. Measurement Science and Technology. 2009;21(1):015107. https://doi.org/10.1088/09570233/21/1/015107.Wu Qiuping, Wu Ruonan, Han Feng Tian, Zhang Rong. A three-stage accelerometer self-calibration technique for space-stable inertial navigation systems // Sensors. 2018. Vol. 18. Iss. 9. Р. 2888. https://doi.org/10.3390/s18092888.Wu Qiuping, Wu Ruonan, Han Feng Tian, Zhang Rong. A three-stage accelerometer self-calibration technique for space-stable inertial navigation systems. Sensors. 2018;18(9):2888. https://doi.org/10.3390/s18092888.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.