NO327185B1

NO327185B1 - Power painters and their application

Info

Publication number: NO327185B1
Application number: NO20060645A
Authority: NO
Inventors: Torbjorn Staaland; Audun Andersen; Cato Michelsen
Original assignee: Aker Kvaerner Pusnes As
Priority date: 2006-02-09
Filing date: 2006-02-09
Publication date: 2009-05-04
Also published as: NO20060645L

Abstract

En kraftmåler for en aksel (3), bolt eller lignende ele- ment, for anbringelse ved en bærestruktur (7) for elementet (3), omfatter en ring (6) som omslutter elementet (3) og inngår i opplagringen av dette i bærestrukturen (7), slik at kraften (R) som skal måles forløper gjennom kraftmåleren (6) fra elementet (3) til bærestrukturen (7). Kraftmåleren har i det minste en målebjelke (11), som ved sine opplagere (12) avgrenses av spalter (13, 14), hvorav den ene (14) tjener som overlastsikring for bjelken (11). Kraftmåleren (6) kan ha flere bjelker (11) anordnet etter hverandre i omkretsretningen, slik at krefter kan måles i hvilken som helst retning. Dersom elementet (3) er roterende, kan et lager (5) være anordnet mellom dette og kraftmåleren (6). Kraftmåleren finner anvendelse blant annet i aksler i fortøynings-, slange-, kran- eller ankervinsjer, eller girkasser (1) for slike, samt i kranskiver.A force gauge for a shaft (3), bolt or similar element, for application to a support structure (7) for the element (3), comprises a ring (6) which encloses the element (3) and is included in its storage in the support structure. (7) so that the force (R) to be measured extends through the force meter (6) from the element (3) to the support structure (7). The power meter has at least one measuring beam (11), which at its bearings (12) is defined by slots (13, 14), one of which (14) serves as overload protection for the beam (11). The force meter (6) may have several beams (11) arranged one after the other in the circumferential direction, so that forces can be measured in any direction. If the element (3) is rotating, a bearing (5) may be arranged between it and the power meter (6). The power meter finds application, among others, in shafts in mooring, hose, crane or anchor winches, or gearboxes (1) for such, as well as in crane washers.

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører en kraftmåler for et langstrakt mekanisk element, for eksempel en aksel eller bolt, for anbringelse ved en bærestruktur for elementet, hvilken kraftmåler omfatter i det minste én måleinnretning, hvilken ring har en sentral åpning for nevnte langstrakte element, hvor kraftmålerens måleinnretning inngår i elementets opplagring i bærestrukturen og skjæres i det minste tilnærmet av planet for resultanten av den kraft som skal overføres fra elementet til bærestrukturen. Foreliggende oppfinnelse vedrører en kraftmåler for et langstrakt mekanisk element, for eksempel en aksel, bolt eller lignende, for anbringelse ved en bærestruktur for elementet, idet kraftmåleren omfatter i det minste én måleinnretning. The present invention relates to a force meter for an elongated mechanical element, for example a shaft or bolt, for placement at a support structure for the element, which force meter comprises at least one measuring device, which ring has a central opening for said elongated element, where the force meter's measuring device is included in the element's storage in the support structure and is cut at least approximately by the plane of the resultant of the force to be transferred from the element to the support structure. The present invention relates to a force meter for an elongated mechanical element, for example an axle, bolt or the like, for placement at a support structure for the element, the force meter comprising at least one measuring device.

Slike kraftmålere er kjent fra DE 2729699, WO 94/07118 og EP 1363115 og benyttes i valseverk og papirmaskiner. Disse kraftmålere har alle en ytre ring og en indre ring anbrakt med avstand inne i den ytre ring, idet ringene er forbundet med hverandre ved hjelp av ett, to eller fire radiale eiker forsynt med måleinnretningen, så som strekklapper eller magnetelastiske transdusere. De to ringer og den eller de mellomliggende eker gir kraftmåleren en relativt stor ytre diameter og komplisert oppbygging. Such force meters are known from DE 2729699, WO 94/07118 and EP 1363115 and are used in rolling mills and paper machines. These force meters all have an outer ring and an inner ring spaced inside the outer ring, the rings being connected to each other by means of one, two or four radial spokes provided with the measuring device, such as strain gauges or magnetoelastic transducers. The two rings and the intervening spoke(s) give the power meter a relatively large outer diameter and a complicated structure.

Formålet med oppfinnelsen er å tilveiebringe en kraftmåler av den innledningsvis nevnte type som er kompakt, robust, pålitelig og enkel i fremstilling. Dette oppnås ifølge oppfinnelsen ved de trekk som er angitt i karakteristikken av krav 1. The purpose of the invention is to provide a power meter of the initially mentioned type which is compact, robust, reliable and simple to manufacture. This is achieved according to the invention by the features indicated in the characteristic of claim 1.

Oppfinnelsen omfatter også bruk av kraftmåleren som angitt i krav 12.1 girkasser vil kraftmåleren kunne gi løpende opplysninger om momentbelastningen i overføringen. For en vinsj vil dette kunne omsettes til strekk i tauet. Fortøynings vinsj er som holder skip til kaien under en laste- eller losseoperasjon, vil måtte justeres ofte med hensyn til å gi ut og ta inn tau for å holde riktig strekk. Bruk av oppfinnelsen vil kunne forbedre og forenkle automatiseringssystemer for denne bruk. The invention also includes the use of the power meter as specified in requirement 12.1 gearboxes, the power meter will be able to provide ongoing information about the torque load in the transmission. For a winch, this can be translated into tension in the rope. The mooring winch, which holds the ship to the dock during a loading or unloading operation, will need to be adjusted frequently with regard to giving out and taking in rope to maintain the correct tension. Use of the invention will be able to improve and simplify automation systems for this use.

Fordelaktige utførelser av oppfinnelsen er angitt i de uselvstendige krav. Advantageous embodiments of the invention are indicated in the independent claims.

Til bedre forståelse av oppfinnelsen skal den beskrives nærmere under henvisning til de utførelseseksempler som er vist på vedføyde tegninger, hvor For a better understanding of the invention, it shall be described in more detail with reference to the design examples shown in the attached drawings, where

Figur 1 viser i snitt et parti av en girkasse hvor oppfinnelsen er implementert, Figure 1 shows in section a part of a gearbox where the invention is implemented,

figur 2 viser et snitt langs linjen II-II på figur 1, idet girkassen er utelatt, figure 2 shows a section along line II-II in figure 1, with the gearbox omitted,

figur 3 viser et oppriss av en kraftmåler ifølge oppfinnelsen, figure 3 shows an elevation of a power meter according to the invention,

figur 4 viser et snitt langs linjen IV-IV på figur 3, figure 4 shows a section along the line IV-IV in figure 3,

figur 5 viser perspektivisk en andre utførelse av kraftmåleren ifølge oppfinnelsen, og figur 6 viser perspektivisk en tredje utførelse av kraftmåleren ifølge oppfinnelsen. figure 5 shows in perspective a second embodiment of the force meter according to the invention, and figure 6 shows in perspective a third embodiment of the force meter according to the invention.

På figur 1 er det vist et snitt gjennom en girkasse 1, som for eksempel kan benyttes for fortøyningsvinsjer, kabeltromler og ankervinsjer i en maritim sammenheng. Snittet viser blant annet en motor 2, en første mellomliggende aksel 3 og en andre mellomliggende aksel 4 med tilhørende lagre. Akselen 3 er ved sitt ene lager 5 forsynt med en kraftmåler 6 ifølge oppfinnelsen. Kraftmåleren 6 er opptatt i en bærestruktur 7, som er fastboltet i en åpning i en vegg av girkassens 1 hus. Kraftmåleren 6 er fastholdt i bærestrukturen 7 ved hjelp av to bolter 8, hvorav én er vist på figur 1. Her vil det være en liten klaring mellom bolthodets underside og en krave i kraftmålerens 6 bolthull 9 (se figur 2), slik at kraftmåleren 6 vil ha en begrenset aksial bevegelsesfrihet og derved vil kunne skråstille seg noe for å tilpasse seg bøyning eller skjevstilling av akselen 3. Figur 1 viser også elektroniske komponenter 10, som benyttes til å overføre signaler fra kraftmålerens målesensorer. Figure 1 shows a section through a gearbox 1, which can for example be used for mooring winches, cable drums and anchor winches in a maritime context. The section shows, among other things, a motor 2, a first intermediate shaft 3 and a second intermediate shaft 4 with associated bearings. The shaft 3 is provided at its one bearing 5 with a force meter 6 according to the invention. The force meter 6 is accommodated in a support structure 7, which is bolted in an opening in a wall of the gearbox 1 housing. The force meter 6 is held in the support structure 7 by means of two bolts 8, one of which is shown in figure 1. Here there will be a small clearance between the underside of the bolt head and a collar in the force meter 6's bolt hole 9 (see figure 2), so that the force meter 6 will have a limited axial freedom of movement and will thereby be able to tilt somewhat to adapt to bending or misalignment of the shaft 3. Figure 1 also shows electronic components 10, which are used to transmit signals from the force meter's measuring sensors.

Snittet på figur 2, som gjerne kan ses i forbindelse med opprisset på figur 3, viser akselen 3, lageret 5, kraftmåleren 6, bærestrukturen 7 og de to bolthull 9. Slik det vil fremgå av figurene 3 og 4, har kraftmåleren 6 form av en sirkulær skive, hvis tykkelse omtrent tilsvarer lengden av det lager 5 den skal oppta. Skivens tykkelse søkes for øvrig holdt relativt liten for å gi kraftmåleren økt målefølsomhet og selvinnrettende evne. The section in figure 2, which can be seen in conjunction with the outline in figure 3, shows the shaft 3, the bearing 5, the force meter 6, the support structure 7 and the two bolt holes 9. As will be seen from figures 3 and 4, the force meter 6 has the shape of a circular disk, the thickness of which approximately corresponds to the length of the bearing 5 it is to occupy. The thickness of the disk is also sought to be kept relatively small to give the force meter increased measurement sensitivity and self-aligning ability.

Kraftmåleren 6 har en såkalt bjelke 11, som har et opplager 12 i hver ende og som på sin konkavt krummede innside påvirkes av den kraft som skal måles, på figur 3 representert, kun som et eksempel, av resultantvektoren R. Ved montering av kraftmåleren vil man forsøke å orientere denne slik at resultanten R treffer mest mulig midt på bjelken 11. Denne orientering kan lett foretas ved dreining av bærestrukturen 7, som kan forsynes med mer tettsittende bolthull enn vist på figur 2 for å oppnå bedre justeringsmulighet. The force meter 6 has a so-called beam 11, which has a bearing 12 at each end and which, on its concavely curved inside, is affected by the force to be measured, represented in figure 3, only as an example, by the resultant vector R. When mounting the force meter, try to orient this so that the resultant R hits as much as possible in the middle of the beam 11. This orientation can easily be done by turning the support structure 7, which can be provided with tighter bolt holes than shown in Figure 2 to achieve better adjustment possibilities.

Bjelken 11 avgrenses ved opplagerne 12 av en spalte 13 for hvert lager på kraftangrepssiden, og av en felles spalte 14 på reaksjonssiden. Spalten 14 er ganske smal, av størrelsesorden noen få tiendedels millimeter, og kan gjerne være trådskåret. Spalten 14 vil ved sammentrykking danne en overlastsikring for bjelken 11, og den tillatte overlaststørrelse kan reguleres ved å legge shims eller lignende avstandsholdere inn i spalten 14. Derved kan overlastsikringen lett tilpasses flere forskjellige anvendelser med én og samme kraftmålerkonstruksjon. The beam 11 is delimited at the bearings 12 by a gap 13 for each bearing on the force attack side, and by a common gap 14 on the reaction side. The gap 14 is quite narrow, of the order of a few tenths of a millimetre, and can easily be wire cut. When compressed, the gap 14 will form an overload protection for the beam 11, and the permissible overload size can be regulated by placing shims or similar spacers into the gap 14. Thereby, the overload protection can be easily adapted to several different applications with one and the same force meter construction.

Opplagerne 12 omfatter utsparinger 15 foretatt fra begge sider av skiven, slik at det midt i denne gjenstår en membran 16, hvis tykkelse vil være tilpasset den kraft som skal måles. Membranen er på begge sider forsynt med strekklapper 17, og ledninger fra disse er ført gjennom hull 18 i membranen og videre ut gjennom en boring 19 til utsiden av kraftmåleren 6. The supports 12 comprise recesses 15 made from both sides of the disk, so that in the middle of this remains a membrane 16, the thickness of which will be adapted to the force to be measured. The membrane is provided on both sides with stretch flaps 17, and wires from these are led through holes 18 in the membrane and further out through a bore 19 to the outside of the force meter 6.

Tenker man seg et vertikalt snitt vinkelrett på tegningsplanet midt mellom ledningshullene 18 og begrenset av spaltene 13,14, vil dette ha form av en H-bjelke, hvor H-ens steg utgjøres av membranen 16. Ved belastning av en slik konstruksjon vil det oppstå skjærtøyninger i membranen 16, hvilke lett vil kunne måles av strekklappene 17 og dertil vil være ganske proporsjonale med den påførte last innenfor et større måleområde. Denne proporsjonalitet gjør at det tilhørende elektroniske system for signalbehandling og styring av for eksempel girkassens motor, blir enklere og mer økonomisk. If one imagines a vertical section perpendicular to the drawing plane in the middle between the wiring holes 18 and limited by the slots 13,14, this will have the form of an H-beam, where the step of the H is formed by the membrane 16. When such a construction is loaded, there will be shear strains in the membrane 16, which will be easily measured by the tension flaps 17 and will also be quite proportional to the applied load within a larger measurement range. This proportionality means that the associated electronic system for signal processing and control of, for example, the gearbox's motor, becomes simpler and more economical.

For å sikre at så godt som hele kraften R overføres til det segment av bærestrukturen 7 som avgrenses av spaltene 13, blir en del av skivens 6 periferi på motsatt side av spaltene 13 forsynt med letting 20. For ytterligere å sikre at kraften går gjennom bjelken 11 kan også skivens innside være forsynt med letting, nærmere bestemt i områdene radialt innenfor opplagerne 12. Det vil forstås at selv om kraftresultanten R treffer noe til side for midtpunktet av bjelken 11, vil man ut fra de noe forskjellige signaler fra opplagerne 12 kunne bestemme både lastens størrelse og dens retning. Lasten kan med andre ord bestemmes ganske nøyaktig innenfor et vinkelområde definert av radiene gjennom opplagerne 12. In order to ensure that almost all of the force R is transferred to the segment of the support structure 7 which is delimited by the slots 13, part of the periphery of the disc 6 on the opposite side of the slots 13 is provided with a relief 20. To further ensure that the force passes through the beam 11, the inside of the disk can also be provided with relief, more specifically in the areas radially within the bearings 12. It will be understood that even if the force resultant R hits somewhat to the side of the midpoint of the beam 11, one will be able to determine from the somewhat different signals from the bearings 12 both the size of the load and its direction. In other words, the load can be determined quite accurately within an angular range defined by the radii through the bearings 12.

Figurene 2 og 3 vil vise at bolthullene 9 ikke ligger på en felles diameter, men er lagt noe lenger unna bjelken 11 for å optimalisere kraftmålerens 6 selvinnrettende funksjon. Den selvinnrettende evne av lastmåleren kan også forbedres noe ved å foreta en letting i ringens 6 tykkelse nedenfor bolthullene 9. Figures 2 and 3 will show that the bolt holes 9 are not on a common diameter, but are placed somewhat further away from the beam 11 in order to optimize the self-aligning function of the force meter 6. The self-aligning ability of the load gauge can also be improved somewhat by making a relief in the thickness of the ring 6 below the bolt holes 9.

For ordens skyld gjøres det oppmerksom på at snittet vist på figur 1 er et utbrettet sådant, idet snittplanet er vinklet i begge akslenes 3,4 senterlinjer. I realiteten ligger akselen 4 på nivå over akselen 3 istedenfor ved siden av denne, hvilket også betyr at vinkelorienteringen av lastmåleren 6 er nærmere 90° forskjøvet i forhold til den stilling som er vist på figur 2. For the sake of clarity, it should be noted that the section shown in figure 1 is a spread one, the section plane being angled in the 3,4 center lines of both axles. In reality, the shaft 4 is at a level above the shaft 3 instead of next to it, which also means that the angular orientation of the load gauge 6 is closer to 90° shifted in relation to the position shown in figure 2.

I og med at kraftmåleren 6 omslutter akselen 3 fullstendig, kan kraftmåleren utformes slik at den kan måle kraft i en hvilken som helst retning. To eksempler på slike kraftmålere er vist på figurene 5 og 6. Den sirkulære form vist på figur 5 er i de fleste tilfeller den mest hensiktsmessige dersom bærestrukturen 7 kan utformes eller festes slik at kraftmåleren blir riktig sentrert. Den firkantede form vist på figur 6 kan benyttes dersom det vil være nødvendig å kunne forskyve kraftmåleren i forhold til bærestrukturen for å få kraftmåleren riktig sentrert. Det vil forstås at kraftmåleren også kan ha andre mangekantede former, for eksempel en sekskantet form som vil gi lik utformning av bjelkenes 11 reaksjons- eller støtteparti. As the force meter 6 completely encloses the shaft 3, the force meter can be designed so that it can measure force in any direction. Two examples of such force meters are shown in figures 5 and 6. The circular shape shown in figure 5 is in most cases the most appropriate if the support structure 7 can be designed or fixed so that the force meter is properly centred. The square shape shown in figure 6 can be used if it will be necessary to be able to displace the force meter in relation to the supporting structure in order to get the force meter correctly centred. It will be understood that the force meter can also have other polygonal shapes, for example a hexagonal shape which will give the same design of the beams' 11 reaction or support part.

På figurene 5 og 6 er samme henvisningstall benyttet for elementer som har samme funksjon på figurene 2-4.1 tillegg har utførelsene på figurene 5 og 6 radialt forløpende spalter 21 som atskiller og avgrenser de enkelte bjelker 11. Det vil forstås at også den indre åpning 22 i kraftmåleren 6 kan ha en mangekantet tverrsnittsform, for eksempel hvis kraften skal måles fra en stillestående aksel eller bolt med mangekantet tverrsnitt. Der det ikke er mest hensiktsmessig å feste kraftmåleren 6 i bærestrukturen ved hjelp av bolter, kan for eksempel kraver eller labber boltet fast på bærestrukturen, gjøre nytten. Utførelsen på figur 5 bør også ha midler, for eksempel én eller flere kiler i periferien, som forhindrer kraftmåleren 6 i å rotere i bærestrukturen, for eksempel dersom friksjonen i lageret 5 skulle bli for stor. Istedenfor den selvinnrettende utførelse av kraftmåleren 6 kan det benyttes et sfærisk lager i akselens 3 opplagring. Ved utførelser hvor akselen ikke roterer, kan en tilsvarende virkning oppnås av den indre åpning 22 i kraftmåleren ha dobbeltkrummet form, for eksempel delvis torusform, i det minste i akselens kontaktområde. Videre kan en hylse benyttes for å tilpasse akselens 3 eller lagerets 5 diameter til åpningen 22 i kraftmåleren 6, idet denne kan tenkes fremstilt i standardiserte størrelser. In Figures 5 and 6, the same reference numbers are used for elements that have the same function in Figures 2-4. 1 In addition, the designs in Figures 5 and 6 have radially extending slits 21 that separate and delimit the individual beams 11. It will be understood that also the inner opening 22 in the force meter 6 can have a polygonal cross-sectional shape, for example if the force is to be measured from a stationary shaft or bolt with a polygonal cross-section. Where it is not most appropriate to attach the force meter 6 to the support structure by means of bolts, for example collars or lugs bolted to the support structure can be useful. The embodiment in Figure 5 should also have means, for example one or more wedges in the periphery, which prevent the force meter 6 from rotating in the support structure, for example if the friction in the bearing 5 were to become too great. Instead of the self-aligning design of the force meter 6, a spherical bearing can be used in the axle 3 bearing. In embodiments where the shaft does not rotate, a similar effect can be achieved by the inner opening 22 in the force meter having a double curved shape, for example a partial torus shape, at least in the contact area of the shaft. Furthermore, a sleeve can be used to adapt the diameter of the shaft 3 or the bearing 5 to the opening 22 in the force meter 6, as this can be thought of as being produced in standardized sizes.

Det vil forstås at det måleprinsipp som er benyttet i eksemplene omtalt ovenfor, kan erstattes av en rekke andre prinsipper. Således ser man for seg mulig bruk av måling av bøyespenninger ved hjelp av strekklapper, måling av krefter ved bruk av sensorer av fiberoptisk type, ved bruk av fiberoptikk og Fiber Bragg Grating-effekten, og silikonbaserte sensorer. It will be understood that the measurement principle used in the examples discussed above can be replaced by a number of other principles. Thus, one can imagine the possible use of measuring bending stresses using strain gauges, measuring forces using fibre-optic type sensors, using fiber optics and the Fiber Bragg Grating effect, and silicon-based sensors.

Claims

1. Force meter for an elongated mechanical element, for example a shaft (3) or bolt, for placement at a support structure (7) for the element (3), which force meter (6) comprises at least one ring assigned to at least one measuring device (11-17), which ring has a central opening (22) for said elongated element (3), where the measuring device (11-17) of the force meter (6) is included in the storage of the element (3) in the support structure (7) and is cut at least approximated by the plane of the resultant (R) of the force to be transmitted from the element (3) to the supporting structure (7) characterized in that the force meter has a single ring (6) in which said at least one measuring device (11-17) is integrated.

2. Force meter according to claim 1, where a bearing (5) is arranged between the element (3) and the force meter (6).

3. Force meter according to a preceding claim, where this comprises at least one measuring device (11-17) which is capable of measuring force in a given angular range of the plane of the resultant (R).

4. Force meter according to claim 3, where this comprises several measuring devices (11 -17) to measure forces in all or a significant part of the angular range of the resultant's (R) plane.

5. Force meter according to claim 3 or 4, where the measuring device (11-17) comprises a measuring beam (11) with a support (12) at each end, which supports (12) are both provided with at least one measuring sensor (17).

6. Force meter according to claim 5, where the measuring beam (11) spans a segment of the ring (6) of approximately 60°.

7. Force meter according to claim 5 or 6, where the measuring beam (11) at each bearing (12) is at least partially delimited by slits (13,14) in the material of the force meter (6).

8. Force meter according to claim 7, where an approximate H-beam shape is formed in the material between the slots (13, 14), with stretch flaps (17) being placed on the step (16) of the H, preferably for measuring shear strains in this (16).

9. Force meter according to claim 7 or 8, where the gap (14) on the reaction force side is common to the two supports (12) and preferably forms an overload protection for the measuring beam (11) by limiting the deflection of this, as the possible deflection can be reduced by insert shims or similar into said slot (14).

10. Force meter according to a preceding claim, where the force meter ring (6) on parts (20) is provided with relief, optionally both externally and internally, and optionally is also provided with radial slots (21) from the inside (22), to prevent force transmission excluding the measuring devices (11-17).

11. Force meter according to a preceding claim, where the force meter (6) has a disk shape and is intended for mounting in a recess in the support structure (7) and retention there by means of organs (8,9), which preferably allow a limited axial movement or inclined position of the force meter (6).

12. Application of a force meter (6) according to a preceding claim in a mooring, hose or anchor winch, or a gearbox (1) for such, as well as in a crane winch or block.