Измеритель усилия пресса

Необходимость измерения действительного усилия, развиваемого прессом в процессе его эксплуатации, уже давно не требует доказательств. Знание действительного технологического усилия позволяет правильно выбрать пресс и наиболее полно использовать его установочную мощность, предотвратить перегрузки и связанные с этим поломки узлов и деталей, правильно разработать технологию и определить конструкцию технологической оснастки, а также обеспечить целый ряд других положительных факторов, хорошо известных специалистам.

Принцип действия применяемых измерителей усилия пресса основан на измерении напряжений в материале его базовой детали (как правило, станины) посредством установленного на ней чувствительного элемента с наклеенными на него тензодатчиками, который усиливает, измеряемые напряжения и соответственно сигнал, получаемый с тензодатчиков. Применение чувствительного элемента необходимо для повышения точности измерений. Затем с помощью тарировки полученные значения напряжений преобразуют в усилие, прикладываемое к ползуну.

Однако, несовершенство конструкций чувствительных элементов, используемых в измерительных устройствах (отсутствие необходимой точности и надежности в работе, высокая трудоемкость в изготовлении, монтаже и эксплуатации), до сих пор не позволяет использовать их на постоянной основе. По результатам анализа известных технических решений была разработана новая конструкция чувствительного элемента [1], выполненного в виде пластины с отверстием, на поверхности которого расположены тензодатчики (рис. 1).

Рис. 1. Измеритель усилия:

1 – базовая деталь пресса; 2 – отверстие;                       ^{Рис. 2. Расчетная схема}

3 – пластина; 4 – тензодатчики; 5 – сварочный шов

Пластина приваривается непосредственно к станине пресса, в ее наиболее нагруженной части (или как можно ближе к таковой) для повышения чувствительности. При работе пресса стани-

*                                           тт            Т- ТТ             , ТГ

В работе принимали участие Иванов С.К., Черников А.Д.

Серия «Машиностроение», выпуск 6

Технология

на деформируется вместе с чувствительным элементом, и сигнал с датчиков поступает на электронный контрольно-измерительный прибор.

Такое конструктивное исполнение чувствительного элемента обеспечивает плотное его прилегание к станине пресса без необходимости использования дополнительных соединительных деталей и создания предварительного натяга устройства. Таким образом, устраняются основные причины, приводящие к его низкой надежности и нестабильности результатов измерений. Сама пластина, как видно как видно из рис. 1, проста в изготовлении и монтаже. При расчете размеров чувствительного элемента (рис. 2) определяется действительный (необходимый) коэффициент усиления к р на основе закона Гука.

d/2

σ ст L/E ст = Р(L – d)/EBS + (2P/E) ∫ dz /F Z ,                         (1)

где σст – напряжение в станине; Ест, Е – модули упругости материалов станины и чувствительно- го элемента; Р – усилие, возникающее на концах пластины в результате удлинения станины; Fz = bzs – текущее значение площади поперечного сечения чувствительного элемента на участке с отверстием; dz – переменная интегрирования на том же участке.

В результате решения уравнения (1), в процессе которого дополнительно вводятся коэффи- циенты кр и кт, после соответствующих преобразований получим кр

к_т β

1+b/L{β[(2β J 2β -1)arctg 2β-1-1-π/2]+1} где кт – теоретический коэффициент концентрации напряжений; β= В/b.

Для определения значения к р необходимо конструктивно задаться размерами В и L, отношением β и выбрать значение к т , в зависимости от отношения d/В по известным графическим зависимостям. При отношении d/В=0,75…0,95 значение к т равно 2.

Проведенные экспериментальные исследования показали, что в реальных условиях значения напряжений в концентраторе чувствительного элемента меньше расчетного. Это объясняется тем, что датчики, наклеенные на поверхность отверстия в пластине, не являются точечными элементами, а имеют определенную базу и в действительности коэффициент усиления кр будет несколько меньше теоретического кт, что можно учесть, умножив полученное значение кр на поправочный коэффициент. Так, экспериментально установлено, что при толщине пластины s, равной 8 мм, и ее длине L, равной 230 мм, в диаметре отверстия d, равном 25 мм, на поверхности которого были наклеены датчики с базой 5 мм, величина упомянутого поправочного коэффициента будет равняться 0,72. Без введения поправочного коэффициента значения измеренных усилий будут несколько завышены.

Разработанный измеритель усилия был использован на сортовых кривошипных ножницах усилием от 10 до 40 МН, установленных на ОАО «Уральская кузница». Для изготовления чувствительного элемента была использована сталь 18ХГТ с последующей закалкой. Размеры пластины с отверстием были определены при использовании приведенных зависимостей. Для ножниц усилием 16 МН чувствительный элемент имел длину 230 мм, ширину 40 мм, толщину 8 мм, толщину перемычки между отверстием и боковой поверхностью пластины 3 мм. Соединенные в мостовую схему датчики, размещенные на пластине, были подключены к измерительному электронному устройству с выходом на контрольно-самопишущий прибор. Введение измерительного устройства в систему управления кривошипными ножницами позволило предотвратить их перегрузки. Полученные значения действительных технологических усилий отрезки позволили рационально перераспределить разрезаемый прокат по сечению между ножницами соответствующих усилий, а часть проката перевести на резку в холодном состоянии.