Датчик для вимірювання опору грунту різанню під водою

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для раздельного определения составляющих сопротивления грунта резанию в подводных условиях. Известны стенды, снабженные тензочувстви тельными измерительными элементами, в которых режущий орган при помощи тяг и шарниров прикреплен к двум или более упругим консольне защемленным металлическим балкам постоянного сечения с наклеенными на них тензорезисторами [1]. Недостатками этих стендов является то, что они применяются в полевых или лабораторных условиях для исследования только в воздушной среде. Наиболее близким из известных к заявленному те хническому решению является стенд для измерения сопротивления грунтов резанию, включающий раму с упругим -образным элементом, на вертикальных и горизонтальных участках которого расположены тензорезисторы. и резцедержатель с режущими элементами, закрепленный на горизонтальном участке упругого элемента [2]. Недостатками известного технического решения являются невозможность применения его для исследования подводных грун тов из-за воздействия на измерительные тензорезисторы водной среды и низкая точность измерений, связанная с температурными погрешностями из-за расположения компенсационных тензорезисторов вне упругого элемента, а также изменения электрического сопротивления рабочих тензорезисторов под воздействием гидростатического давления. Задача изобретения - расширение области применения и повышение точности измерений. Указанная задача решается тем, что известный стенд, включающий раму, на которой закреплен упругий элемент с тензорезисторами и резцедержатель с режущим элементом, согласно настоящему изобретению, снабжен корпусом, жестко закрепленным на раме, внутри которого установлена опора для крепления упругого элемента, втулкой, герметично прикрепленной к нижней части корпуса, сильфоном, закрепленным двумя хомутами на втулке и резцедержателе, защитным кожухом, установленным на раме. Упругий элемент выполнен в виде Г-образной балки, один конец которой консольне защемлен на опоре, а ко второму концу прикреплен резцедержатель. При этом корпус выполнен с двумя отверстиями и герметично прикрепленной к нему крышкой, в которой установлен винтовой ограничитель с зазором, равным максимально допустимому прогибу горизонтальной части упругого элемента. В верхнем отверстии корпуса установлен герметичный разъем, втулка выполнена с центральным отверстием и расположена соосно нижнему отверстию корпуса, в которое пропущена вертикальная часть упругого элемента. Внутренняя полость корпуса заполнена диэлектрической жидкостью, а тензорезисторы размещены попарно с противоположных сторон в двух сечениях горизонтальной и вертикальной частей Г-образной балки и перекрестно включены в плечи измерительных мостов. Таким образом, заявленный датчик для измерения сопротивления грунта резанию под водой соответствует критерию изобретения "новизна". Сравнение заявленного решения с прототипом и другими техническими решениями в данной области техники не позволило выявить в них признаки, отличающие заявленное решение от прототипа. Это позволило сделать вывод о соответствии его критерию "существенные отличия". На фиг.1 показан общий вид датчика; на фиг.2 - упругий элемент с тензорезисторами: а - эпюра изгибающих моментов от действия касательной составляющей F сопротивления резанию грунта; б - то же, от действия нормальной составляющей N; в - включение тензорезисторов в измерительную схему. Датчик для измерения сопротивления грунта резанию под водой включает корпус 1, жестко закрепленный на раме 2, внутри которого установлена опора 3 для крепления упругого элемента, выполненного в виде Гобразной балки постоянного сечения 4. Один конец ее консольне защемлен на опоре, а ко второму концу винтами прикреплен резцедержатель 5 с режущим элементом 6. К нижней части корпуса герметично прикреплена втулка 7. На втулке и резцедержателе двумя хомутами 8 закреплен сильфон 9, который закрыт защитным кожухом 10, установленным на раме. Корпус 1 выполнен с двумя отверстиями и герметично прикрепленной к нему крышкой 11, в которой установлен винтовой ограничитель 12 с зазором, равным максимально допустимому прогибу горизонтальной части упругого элемента. В верхнем отверстии корпуса установлен герметичный разъем 13 для электрических коммутаций. Втулка выполнена с центральным отверстием и расположена соосно нижнему отверстию корпуса 1, в которое пропущена вертикальная часть упругого элемента 4. Внутренняя полость корпуса заполнена диэлектрической жидкостью. Тензорезисторы размещены попарно с противоположных сторон в двух сечениях горизонтальной и вертикальной частей Г-образной балки и перекрестно включены в плечи измерительных мостов. На горизонтальных поверхностях упругого элемента закреплены тензорезисторы R1-R8 для регистрации нормальной составляющей сопротивления грунта резанию N. На вертикальных поверхностях упругого элемента закреплены тензорезисторы R9-R16 для регистрации касательной составляющей сопротивления F. Все тензорезисторы расположены симметрично относительно продольной оси Г-образной балки. Для регистрации боковой составляющей сопротивления грунта резанию Т восемь тензорезисторов (на чертеже не показаны) закрепляются на боковых сторонах горизонтальной или вертикальной части упругого элемента и включаются в измерительный мост аналогично двум предыдущим случаям, показанным на фиг.2. Датчик работает следующим образом. Корпус 1 датчика закрепляют на раме 2 измерительного устройства или машины, движущейся по грунту, заполняют диэлектрической жидкостью и герметизируют. К резцедержателю 5 прикрепляют режущий орган 6 (нож) с заданными геометрическими параметрами. Перед началом измерений тензомоcты балансируют, выставляя в исходное нулевое, положение. В процессе резания на нож действует сила сопротивления грунта, котирую можно разложить на касательную F нормальную N и боковую Т составляющие, вызывающие деформации растяжения, изгиба и кручения в Г-образной балке. Эти составляющие воспринимаются упругим элементом датчика независимо друг от друга. Разбаланс тензометрических мостов от действия соответствующи х сил в двух сечениях каждой из тензобалок (горизонтальной или вертикальной частей упругого элемента) через усилитель подается на регистрирующее устройство (осциллограф, магнитофон, ЭВМ и т.п.). Тензорезисторы включены в измерительные мосты следующим образом. В одноименные плечи мостов последовательно включены тензорезисторы, симметричные относительно геометрического центра горизонтальной или вертикальной части Г-образной балки, т.е. тензорезисторы, находящиеся в двух сечениях балки по обе стороны от продольной оси симметрии на двух параллельных плоскостях (R1R8, R2R 7, R 3R6, R4R5). В противоположные плечи мостов последовательно включены тензорезисторы, находящиеся в одном сечении на. одной и той же плоскости по обе стороны от продольной оси симметрии (R1R2, R3R4, R5R6, R7R8) или находящиеся в двух сечениях балки на параллельных плоскостях с одной стороны относительно ее продольной оси симметрии (R1R7, R2R8, R3R5, R4R6). При этом пары тензорезисторов в смежных плеча измерительных мостов окажутся включенными по одной из схем, приведенных в таблице. Такое включение тензорезисторов обеспечивает реакцию каждого измерительного моста, UF, UN и UT только на одну из трех составляющи х сил сопротивления грунта резанию - соответственно F, N и T. Согласно предложенной схеме размещения и включения тензорезисторов регистрируются непосредственно не силы, а разности моментов этих сил в сечениях I - I и II - II; III - III и IV - IV Г-образной балки. Касательная составляющая F в сечении I - I вертикальной части балки вызывает момент MFl = F(d + h1), а в сечении II - II MFII = F(d + h2). Ток как тензорезисторы включены перекрестно в смежные плечи, разбаланс измерительных мостов пропорционален разности MFI - MF II = F(d + h1) - F(d + h2) = F(h1 - h2) = Fh, т.е. зависит только от базы размещения тензорезисторов на балке h и величины силы F, но не зависит от места ее приложения к ножу. Вертикальная составляющая N в этой балке. реакции не вызывает, но на горизонтальную часть балки действует аналогично предыдущему случаю. Разбаланс второго моста на горизонтальной части тензобалки от действия силы N пропорционален разности MNIII - MNIV = N(C + I1) - N(C + I2) = N(I 1 - I2) = NI т.е. также зависит от базы размещения тензорезисторов на балке I и номинального значения силы N, но от места ее приложения не зависит. На показания измерительного моста в горизонтальной балке составляющая силы резания F не влияет. Погрешности измерений, связанные с действием боковой силы T в плоскости, перпендикулярной движению ножа, и крутящих моментов в горизонтальной и вертикальной частях Г-образной тензобалки благодаря указанной схеме включения исключаются. Легко доказать также, что разбаланс измерительного моста UT (на фиг.2 не показан) прямо пропорционален в этом случае разности моментов MTI - MTII в сечении I - I или MTIII - MTIV в сечении III и IV и будет зависеть только от величины боковой сипы T и базы размещения тензорезисторов, соответственно h или I, а от места приложения этой силы не зависит. На показания моста Ur касательная F и нормальная N составляющие сопротивления грунта влияния не оказывают. При погружении датчика в воду на определенную глубину сильфом 9, деформируясь, сжимает диэлектрическую жидкость, выравнивая тем самым гидростатическое давление внутри корпуса 1 и снаружи. Таким образом, заявленный датчик позволяет в условиях водной среды при наличии гидростатического давления определять независимо друг от друга все три составляющие (касательную, нормальную и боковую) сопротивления грунта резанию ножом. При этом по сравнению с прототипом расширяется область применения датчика. Герметичное исполнение датчика, при котором тензорезисторы защищены от агрессивного воздействия окружающей водной среды, а упругий элемент защищен от механических повреждений, позволяет применять предлагаемое техническое решение для измерения сопротивления резанию подводного грунта в условиях естественного залегания. Повышение точности измерений достигается за счет исключения температурной погрешности путем размещения компенсирующи х тензорезисторов на упругом элементе датчика, а также применением гидрокомпенсации с помощью сильфона и герметичного корпуса, заполненного диэлектрической жидкостью. Кроме того, повышается чувствительность измерения за счет использования компенсационных тензорезисторов в качестве дополнительных рабочих в полномостовой схеме измерения. При этом компенсационные тензорезисторы размещаются в сечениях балок, испытывающих напряжения, равные по величине, но противоположно направленные по сравнению с напряжениями, возникающими в сечениях, где размещены рабочие тензорезисторы, и последовательного их включения в противоположные плечи измерительных мостов.