包角法测力原理

1、包角法测力计算方法-杨荣卿、杨亚林、梁瑞霞2016.08整理】提要：提出一种以包角法为基础的钢丝【索】的张力测量方法。已在钢丝【索】测量头设计中得到应用，取得了较好的使用校果。关键词包角法取力轮2. 包角法测力原理包角法测力原理中把受力点或施力点视作一段被弯曲的圆弧而不是一个点：有固定长度、弯曲半径。这段包在半径等于p的取力【施力】滚轮上的弧，对应的圆心角2里。弧长=2甲p。包角法测力原理尊循这个思路，研究了轮半径、钢丝【索】张力T、包角之间的关系，导出了张力F计算公式。以包角法命名，以区别其它的弯曲法张力测量原理。下面介绍包角法测力原理公式的导出。选半径p的取力【施力】滚轮作为接收钢丝【索】

2、松紧程度-张力的接受体【下面称为取力轮】。设置圆心处于同一水平面、且位于两边被称为支撑轮或过轮A、B的受力滚轮作为钢索的支点，支点位置高于取力轮C的最低点【见图】，支轮A、B的半径小于取力轮C的半径。作取力轮C的切线：沿过轮A的高点处【不是最高处】作取力轮的切线，切点Ca、，此切线ACa在取力轮的轮沿上的切点Ca0过切点Ca作y轴垂线和园相交形成弦切角为0a。沿过轮B的高点处【不是最高处】作取力轮的切线，切点Ba、，此切线BCb在取力轮的轮沿上的切点Ca。过切点Cb作y轴垂线和园相交形成弦切角为0b。称二切点之间的弧长对应的园心角为待测对象在取力轮上的包角2Wo并以此作为几何法作包角基础。在包

3、角法测力结构中，待测对象沿取力轮C的这两条切线布置。受到拉力后待测对象就被拉紧【张紧】，这种因拉力产生的张紧力使对象紧紧贴在圆心固定的取力轮上，轮再传给轮轴。轮轴把轮汇集的张力传给力-电变换原件的应变体上，做力-电变换后输出。由于取力轮的存在，当待测对象被拉动时，依靠对象和轮沿之间的摩擦力带动取力轮转动，实现了在运动中测量张力【负载】变化的要求。设计中，用FCz表示取力轮汇集的张力，探用应变测力元件作为力-电变换原件。设计的专用结构保证：当张力为零时，轴脱离应变测力元件的受力触点；当张力不等于零时，轴把受力传递到应变测力元件的受力触点上。这样的机构总成构成了实用的指重传感器。由上述可知：G)a

4、是取力轮C由支点A形成的弦切角，G)b是取力轮C由支点B形成的弦切角。Wa支点A侧绳对轮包角，Wb是支点B侧绝对轮包角，取力轮的测力包角W=Wa+Wb。连切Ca和取力轮C的园心、连切Cb和取力轮C的园心。可导出：FCz=FCay+FCby=TtgOaC0SWa+TtgObC0SWb如果Oa*Ob,FCy=TSINOa+TSINOb,T=FCy/SINOa+SINOb,式2.1.1如果Oa*Ob,FCy=2TSINWa,T=FCy/2SINO,式2.1.2在指深指重测量装指重的设计应用中，称式2.1.1和2.1.2为指深指重数显装置的第二定律.Ca过轮Cb(9aWaFCy=FCay+FCby卜表

5、1是应用包角法张力测量机构设计的试井车用指重传感器的实验结果表12010-5-10日钢丝测量头试验记录，实验条件：钢丝直径2.4毫米、钢丝测量头型号：K1型钢丝测量头【专利号:)对照整码0.0kN1.24kN1.8kN1.64kN1.24kN0.0kNS2A表读数0.02kN1.24kN1.78kN1.65kN1.26kN0.02kN采用弹簧机械指针表读数作对照值【基准读数】，S2A型数显装置是开发的数字指重测量装置，其读数是指重传感器的测量值。实验结果显示，S2A型数显装置读数和弹簧机械指针表读数一致。读数误差远小于1%,达到S2A型数显装置的设计要求。钢丝受拉时要产生伸长，试并用钢丝拉伸率

6、6=1.7%,在弯曲半径p=70mmd=2.4mm时经计算，由拉伸率产生的最大应力变化为：A(m/(T=0.017【29/2X29+1=-8.4M03,这种不大的变化不影响使用。2.1 包角法张力测量原理在钢索测力机构中的应用钢索是由多根钢丝组成的股和捻制成的，同股和捻之间的钢丝间存在间隙、不同的股和捻之间也存在间隙。随着负荷的增加钢索直径和受力截面也发生变化。造成包角不稳定、刚度ES不确定、弹性伸长率不确定等现象。钢索没有明确的屈服点【屈服强度是拉断强度的60-70%。这些问题使索在受力之后结构发生的变化较之钢丝要负杂。使用中，由于钢索必须工作在弹性限度内。这要求实用负载较之索的拉断力要小。

7、因此，使用之前经过接近满负荷的负载预拉伸处理之后，弹性伸长率6、索直径和受力截面均能够保持足够稳定。如22毫米钢丝纯弹性伸长率6用.74%;电梯用的18.5毫米钢丝绳不经预拉伸处理6a5-1%,处理之后稳定在61-0.3%范围内。使这些因素的影响减小到能满足较为准确测量的需要。顺便指出，利用这种方法处理之后，以胡克定律【拉伸应力和钢丝纯弹性伸长率成正比】为基础发展起来的应变法测量张力、负载的方法亦得到应用。1980年第4期林业科学刊登的【钢丝纯弹性系数的计算及张力测量】一文详细探讨了利用钢丝绳的拉伸率测量张力的方法。下表2是利用包角法对直径16毫米钢丝绳的测力实验结果实验采用液压加载，利用弹簧

8、拉力计【指针】读数作为对照值【基准读数】S2A型数显装置的读数是钢索指重传感器的测量值。按照同样的加载、卸载历程取得的5次实验结果记录记录于表2中。实验条件：测力包角=45°、钢丝纯直径16毫米，k3型钢索指重传感器安装在自制拉力实验台上。因此，包角法张力测量原理同样实用于钢索的张力测量中，据此设计的k2型电缆测量头和k3型钢索指重传感器，在打捞、抽汲、钻井、测井、修井石油特车上得到应用。表22010-5-1日试验记录表1测值记录单位千牛对照S2A读数1S2A读数2S2A读数3S2A读数4S2A读数5S2A5次读数平均值0.00.10.10.00.20.10.110.09.99.81

9、0.09.910.09.920.021.121.021.220.120.920.823.024.724.624.724.624.624.610.09.910.610.510.010.510.60.00.10.10.20.10.20.12.2 确定包角的方法在导出包角的方法测量原理公式和分析钢丝弯曲应力的时候，已介绍了确定包角的基本方法。取力轮、支承轮圆心位置决定最终决定包角数值。这里以此为基础整理出确定支撑轮、取力轮圆心位置方法步骤供参考。根据张力量程、前放倍数、测力传感器灵敏度的计算结果，计算包角大小；预选弯曲应力和测量负载应力分配结果、计算纯径比；以选用的钢丝半径【钢丝纯、电缆半径】和纯径比计算取力轮底半径【大于20】；在草图上确定取力轮圆心位置和底半径，以取力轮圆心为顶点，画出包角及其两个夹边在取力轮圆周上的交点；以交点作为取力轮的切点作切线；预选支撑轮的槽底半径。以此为半径，在许可的位置上以取力轮切线为切线作圆。支轮圆心位置就是设计的轮轴安装位置。2.3 结论本文介绍的包角法张力测量原理，是以钢丝【索】在取力轮圆周的包角为基础建立的。已应用于实际钢丝、钢索张力测量头的设计中。是一种可行的钢丝【索】张力测量方法。参考资料：文1:测控技术2000第19卷7期马伟方等敷缆张力测控系