Трехкомпонентный тензометрический датчик для точного измерения колебания нагрузок

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.

1. Беззубов 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.

2. 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.

3. 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.

4. 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.

5. 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.

6. 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.

7. 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.

8. 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.

9. Голованов В.К., Елхов В.В. Конструкция бескорпусного датчика силы // Известия Волгоградского государственного технического университета. 2014. № 8. С. 18–20.

10. Micheletti G.F., Koening W., Victor H.R. In-process tool wear sensors for cutting operations // CIRP Annals. 1976. Vol. 25. P. 483–496.

11. Shaw M.C. Metal Cutting Principles. Oxford: Clarendon Press, 1996. 594 р.

12. Болсуновский С., Вермель В., Губанов Г. Применение специальных гасителей вибраций при чистовом фрезеровании тонкостенных деталей // САПР и графика. 2014. № 8. С. 110–112.

13. 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.

14. 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.

15. 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.

16. 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.

17. Калмыкова А.В., Дхар П., Узинцев О.Е. Тарировка электротензометра // Вестник Россий ского университета дружбы народов. Серия: Инженерные исследования. 2012. № 2. С. 5–15.

18. 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.

19. 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.

20. 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.