Измерение силы натяжения каната

Измерение силы натяжения каната

24. July 2008 Christian Katlein , Patrick Engel
Partner: LORENZ Messtechnik GmbH

Оригинал статьи (.pdf, англ, ~ 800 кб)

Перевод АЛЬФА-СЕНСОР © 2010

1. «Slacklining» - акробатика на канате
«Slacklining» (акробатика на канате) – тенденция в спорте, которая становиться все более популярной в последние годы. Зародилась она в легендарном лагере альпинистов „Camp 4“ в Yosemity‐Valley (США) с 70-х и испытывает второе рождение в наши годы.

Для Slacklining используется плоская, эластичная синтетическая лента (25‐35 мм), натянутая между двумя фиксированными точками (например, между двумя деревьями) посредством натяжного блока или трещетки. Спортсмен перемещается по этому канату и пытается выполнить различные  трюки и прыжки. С первого взгляда это похоже на выступление канатоходцев в цирке, но есть существенные различия, связанные, прежде всего, с различным материалом каната и различными требованиями. Канат в Slacklining может быть закреплен множеством различных способов. Также, длина каната может варьироваться между 5 и 200 м. Для коротких канатов характерно изменение натяжения от строго натянутого до провисания. Высотная разновидность, “Highlining“, представляет наиболее сложную разновидность этого вида спорта. Здесь канат натягивается на высоте, превышающей высоту прыжка, например, между двумя гребнями горы. Каждая из разновидностей Slacklining имеет свои характерные риски и опасности.

2. Постановка задачи

Нарастание сил в Slackline канате (в дальнейшем, для краткости – канате) происходит очень быстро. Физические процессы, происходящие при этом, известны лишь немногом спортсменам и это часто приводит к неправильной оценке возможных отказов оборудования.
Установка датчиков силы в цепи каната в лабораторных и натурных условиях, позволяет получить информацию о величинах сил и потенциальной опасности, связанной с их возникновением.

Даже опытные спортсмены часто не имеют реального представления о силах, возникающих в канате, поэтому бывает так, что система выходит за предельно допустимые размеры и становится небезопасной. Так, канаты очень большой длины, называемые длинномерными, требуют очень большого предварительного натяжения (~10 кН) для того, чтобы спортсмен не коснулся земли в середине. Несмотря на надежные механизмы натяжения (например, ценой блок натяжения/15:1), датчики силы позволяют держать силы под контролем и избегать предельных нагрузок для материала каната. При «высоком» способе установки каната, силы предварительного натяжения не настолько велики, но, по-любому, должен осуществляться контроль пиковых значений силы при приземлении спортсмена на канат (приканатчивании).

До сих пор, спортсмены сталкивались с опасностью превышения размеров системы с многократной избыточностью. На самом деле, было мало что известно о реальных значениях сил, возникающих в системе Slackline. Для надлежащей установки системы и было принято решение установить датчик силы и провести исследования.

3. Настройка измерений

Датчик силы типа K‐25 (измерительный диапазон 20 кН) от Lorenz Messtechnik GmbH был оборудован на обеих сторонах шаровыми проушинами с резьбой M24x2 и был напрямую подсоединен к канату с использованием стандартных. Через интерфейс для датчиков типа LCV‐USB, датчик силы был напрямую подключен к персональному компьютеру (к USB-порту). В соответствии с задачей, измеренные данные сохранялись посредством прилагаемого ПО LCV‐USB‐VS и визуализировались в виде диаграммы сила/время, или отображались в виде аналогового индикатора посредством ПО Lab‐View. Для определения силы, возникающей в канате, в Lab‐View сигнал силы был наложен на сигнал синусоидальной формы, который позволил отследить относительное изменение силы в зависимости от активности спортсмена.

   

4. Измерение силы в реальном времени на тренировочных курсах

На тренировочных курсах датчик силы был установлен на канат. Благодаря этому, слушатели курсов имели возможность наблюдать силы в реальном времени в процессе всего тренировочного занятия. Особый интерес был вызван при установке датчика на канат для прыжковых упражнений, на котором очень быстро были достигнуты удивительно высокие значения силы в ~ 9 кН.
Это позволило участникам курсов лучше понять физику Slackline. На них произвели большое впечатление реальные значения силы.

5. Графики сил при различных трюках

Также, как и до этого, датчик силы был установлен непосредственно на канате (8 м) и запись кривой производилась в процессе выполнения двух разных трюков.
Сальто

Под воздействием веса спортсмена, первоначальное значение силы составляет ~ 5 кН. Раскачивание спортсмена перед прыжком хорошо прослеживается на графике. После хорошо распознаваемого прыжка, когда сила достигает пикового значения в ~ 8 кН, сила в канате уменьшается до первоначального значения предварительного натяжения каната ~ 3 кН.
Прыжок вперед

Легко распознаваемое раскачивание перед прыжком. Два очевидных пика в ~ 8,6 кН обозначают прыжок и приземление.

6. Контроль при установке «длинномерного» каната

В данном случае, 55-ти метровый канат натягивался посредством натяжного приспособления 45:1. На части этого процесса натяжения, регистрировалась сила при помощи установленного датчика силы.
На графике показано изменений силы натяжения в канате в процессе его натяжении приспособлением. Особенно интересны здесь фазы «отдыха» системы, в которых сила в системе экспоненциально снижается, что, в свою очередь, обусловлено характеристиками текстильного материала каната.

7. Результаты

Измерения, проведенные при помощи датчиков и периферийного оборудования от Lorenz Messtechnik GmbH, позволяют сделать интересные заключения. Приведенные примеры показывают, что даже в коротких канатах Slackline, со сравнительно небольшими предварительными натяжениями (< 5 кН), при прыжках и подобных трюках спортсменов могут возникать достаточно высокие силы порядка 9 кН. Некоторые производители оборудования для Slackline, предлагают комплекты с натяжными механизмами, с усилием натяжения всего 7,5 кН. Такие системы могут исчерпать предел своих возможностей всего лишь за один день эксплуатации. Современная технология измерения от Lorenz Messtechnik GmbH позволяет оптимизировать размерность используемых в Slackline материалов.
Измерения также показали, что канат Slackline ведет себя не как пружина Гука. Эффект от специфичных характеристик текстильного материала, нелинейность и гистерезис явно доминируют в динамическом поведении синтетической волоконной ленты. Новые знания, полученные в результате эксперимента, позволяют оптимизировать технологию крепления каната и материал, из которого изготовлен канат.
*

Статья "Применение датчиков силы"

Применение датчиков силы

© LORENZ MESSTECHNIK GmbH

Оригинал статьи (.pdf, англ, ~ 800 кб)

Перевод АЛЬФА-СЕНСОР © 2010

Мониторинг технологических процессов
Измерение силы прессования

• например, при прессовании таблеток в фармакологической промышленности

Таблетирующий автомат, содержащий матрицу и верхний и нижний пуансоны, применяется в производстве таблеток.

Прессование: принцип работы ротационного пресса для производства таблеток
Сила прессования до 20 кН, стабильность при перегрузках до 50 кН, сила при извлечении готовой таблетки ~ 200 Н

Среднее сжимающее напряжение в таблетке

где:
F   -  сила прессования
A   - площадь поперечного сечения
ε    - пористость

Мониторинг технологических процессов

Процесс клепки (а также - болты, диски, шарикоподшипники и др.)

Применение датчика силы К-2392 при контроле запрессовки

• Определение максимального значения силы запрессовки.
• Статистический анализ результатов измерений.
• Расчет оптимального режима. Вычисление значения C_pk

Мониторинг технологических процессов

Экструдер с винтовой подачей (проблема с перегревом редуктора). Измерения осевого усилия на валу редуктора.

• Постоянное выдавливание шнеком экструдера
• Максимальная производительность без потери качества
• Регулировка посредством изменения частоты вращения электродвигателя

Мониторинг технологических процессов

Измерение натяжения ленты (нити)

• Конвейерные ленты
• Печатные машины
• Минимум брака
• Предотвращение комков на нити, приводящих к повреждению оборудования

Применение специальных датчиков силы К-2148 для контроля натяжения ленты

Литература: Zitt, H.: Simulation von Bahnspannung und Tдnzerbewegung beim Transport von Materialbahnen. MATLAB select 2001, Heft 1, S. 9-11

Мониторинг технологических процессов
Поверка измерительного оборудования образцовыми датчиками

Калибровка датчиков силы

• Калибровка датчиков силы
• Настройка датчиков силы

Медицинская биомеханика
Динамометрия

Измерение усилия ноги

• Медицинская диагностика
• Спортивная медицина

Измерение усилия руки

Специальный датчик силы К-2585
Испытания
Измерение силы в процессе разработки изделия

• Определение характеристик пружин на испытательном стенде

Испытания
Сила затяжки болтовых соединений (испытание болтов)

• Определение силы затяжки в болтовых соединениях датчиком силы К-180
• Долговременный мониторинг болтовых соединений (пластичные разделители, например, прокладки и т.д. вызывают постоянную деформацию)

• Определение направления затяжки- альтернатива измерению момента и угла поворота.
• Прокладка предотвращает разрушение датчика силы
• Прокладка должна иметь ровные поверхности
• В случае необходимости, следует применять шайбу с обеих сторон сборки

Испытания
Испытание материалов. Разрушающие методы

• Испытание на растяжение – испытание на разрыв
• Испытание на сжатие
• Испытание на изгиб
• Испытание на срез
• Испытание на кручение

Методы с частичным разрушением, методы измерения твердости

Испытательная машина на 5 МН

Пример испытательных машин на растяжение
Датчик силы используется для поверки устройства или для прямого измерения силы

Железнодорожный транспорт

Мониторинг верхнего строения пути
Измерение силы в рельсовых креплениях

Датчик силы с центральным отверстием К-2073

Сила в болтовых соединениях стрелочных переводов

Мониторинг тяг стрелочных переводов
Результат измерения - сила реакции на остряках стрелочного перевода

• Давление в зоне прилегания остряка
• Трение в направляющих
• Оптимизация смазывания
• Износ

Датчик силы К-1661

*

Измерение силы на парусных яхтах

Измерение силы на парусных яхтах

Fachhochschule Westküste: Kevin Ohliger, Dipl.-Ing. Thomas Seydlitz, Prof. Dr.-Ing. Rainer Veyhl; Partner: LORENZ MESSTECHNIK GmbH

Оригинал статьи (.pdf, англ, ~ 250 кб)

Перевод АЛЬФА-СЕНСОР © 2010

Анализ проблемы и концепция решения
Часто победа в парусной регате определяется не только умелыми действиями команды, но и от надлежащего оборудования яхты. В области оборудования всегда есть возможность оптимизации. До сих пор сила определялась интуитивно. С появлением современных технологий измерения, стало возможным проводить оптимизацию оборудования, используя точные результаты измерения.
В данном случае, это задача измерения силы, которая действует на крепление тросов мачты в продольном направлении. Система измерения в таком приложении должна быть очень прочной, легкой и должна иметь малое потребление энергии.
В рамках данного проекта сила измерялась при помощи датчика силы типа К-100 и USB-интерфейса от компании LORENZ MESSTECHNIK GmbH.

Рис 1: Яхта X79 в Westküste

Функциональный принцип

• Датчик силы установливается между натяжным устройством и стальным тросом (растяжкой) (Рис. 2).
• Сигнал от датчика силы усиливается и преобразуется из аналогового сигнала в цифровой сигнал посредством USB-интерфейса, который питается от USB-порта персонального компьютера (ПК).
• Цифровой сигнал передается через USB-интерфейс на ПК, обрабатывается там посредством специализированного программного обеспечения. Данные измерений и обработки сохраняются на ПК.
• Параметры датчика силы:

-      тип K-100 от LORENZ MESSTECHNIK GmbH
-      номинальный диапазон: ± 5 кН
-      точность: 0,3 % от полной шкалы

-

Рис. 2: Установка датчика силы и натурные испытания

Датчик силы

Датчик силы растяжения K-100 содержит измерительное тело, на котором расположен тензометричеcкий мост Wheatstone. Тензометрический мост датчика силы подключается непосредственно к интерфейсу LCV-USB. Резьбовые шпильки с обеих сторон предназначены для надежного механического соединения с проушинами.

    Схема датчика силы и установленный датчик

Измерительный интерфейс для датчиков LCV-USB

Необходимые компоненты для работы с программным обеспечением:

• Датчик с интерфейсом LCV-USB
• Программное обеспечение (не требует установки)
• USB-драйвер для интерфейса
• Драйвер виртуального COM-порта
• USB-заглюшка (ключ) для полной версии

-  Запись данных в файл
-  Поддержка 3-х дополнительных интерфейсов LCV-USB

Работа интерфейса без ПО:

• Датчик с интерфейсом LCV-USB
• USB-драйвер для интерфейса
• Функции ПО:

-      Настройка интерфейса LCV-USB
-      Презентация измеренных данных
-      Вывод измеренных данных в файл формата CSV

LabVIEW

• Совместимо

ПО пользователя

• Доступно описание протокола для интерфейса LCV-USB и для датчиков с интерфейсом RS-485 (090110g.pdf)

Техническая реализация

Датчик силы был установлен на парусной яхте X79 и защищен изолирующим кожухом, который защищал датчик от экстремальных воздействий окружающей среды, таких как значительные температурные колебания и воздействие соленой воды. Измерительный усилитель и ноутбук были установлены в защищенном помещении яхты (гальюне). Связь с ПК осуществлялась по USB-кабелю. Сбор данных силы, воздействующей на растяжку, был автоматизиров программным обеспечением Agilent-VEEpro и Matlab-Script (Рис. 3). После того, как измерения стартовали, измерительные значения с частотой опроса 2 Гц поступали на ПК и визуализировались на квази-аналоговом дисплее. Измеренные значения регистрировались для того, чтобы заархивировать их в файле. График измеренных значений представлялся в текущем и долговременном режимах при помощи алгоритма сжатия данных. Число успешных и незавершенных передач было зафиксировано и отображено.

Рис. 3: Пользовательский интерфейс для настройки и визуализации измерений силы, воздействующей на растяжку. Вверху: отображение текущих значений, внизу: отображение долговременного мониторинга.

Результаты

• Описанное измерение силы было проверено при лабораторных условиях. Сравнительные измерения подтвердили правильность метода.
• Запись текущих значений  и регистрация результатов измерения на ПК были выполнены успешно в реальных условиях. Система измерения успешно работала в условиях влажной соленой среды со значитительными колебаниями температуры.
• На Рис. 4 показаны два различных графика изменения силы в постоянном режиме и различные ситуациях регаты.
• Оба графика дают представление о пиковых значениях силы, которые вызваны волнами и порывами ветра.
• Также можно отследить значительное уменьшение силы.

С вышеописанным методом измерения силы возможно точно определить и уравновесить изменения силы. Это может принести решающий успех для победы в парусной регате. Ура.   

Рис. 4: Постоянная сила (слева) и уменьшающаяся сила (справа)
*

Сила

Примеры конструктивных решений с использованием датчиков силы

• Измерение силы на парусных яхтах
• Примеры применения датчиков силы
• Измерение силы натяжения каната

*