close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

5.Силоизмерители машин для механических испытаний материалов

код для вставкиСкачать
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Московский государственный технический университет
имени Н.Э. Баумана
В.Н. Бойков
СИЛОИЗМЕРИТЕЛИ МАШИН
ДЛЯ МЕХАНИЧЕСКИХ ИСПЫТАНИЙ
МАТЕРИАЛОВ
Рекомендовано Научно-методическим советом
МГТУ им. Н.Э. Баумана в качестве учебного пособия
по курсу «Машины для механических испытаний
материалов»
Москва
Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана
2010
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
УДК 620.22
ББК 30.3
Б77
Рецензенты: Б.Н. Ушаков, С.Е. Квашнин
Б77
Бойков В.Н.
Силоизмерители машин для механических испытаний материалов: учеб. пособие / В.Н. Бойков. – М. : Изд-во МГТУ
им. Н.Э. Баумана, 2010. – 32 с.: ил.
Приведены сведения об основных типах силоизмерителей,
широко применяемых в испытательной технике. Даны описания
принципов действия силоизмерительных приборов, их технические
характеристики и конструктивное оформление. Приведены рекомендации по расчету на прочность и жесткость основных деталей
этих устройств, оценены погрешности, возникающие при использовании силоизмерителей.
Для студентов, обучающихся по специальности «Динамика и
прочность машин». Может быть полезно также студентам других
машиностроительных специальностей.
УДК 620.22
ББК 30.3
Учебное издание
Бойков Валерий Николаевич
СИЛОИЗМЕРИТЕЛИ МАШИН
ДЛЯ МЕХАНИЧЕСКИХ ИСПЫТАНИЙ
МАТЕРИАЛОВ
Редактор С.А. Серебрякова
Корректор Г.С. Беляева
Компьютерная верстка А.Ю. Ураловой
Подписано в печать 29.11.2010. Формат 60×84/16.
Усл. печ. л. 1,86. Тираж 100 экз. Изд. № 172. Заказ
Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана.
Типография МГТУ им. Н.Э. Баумана.
105005, Москва, 2-я Бауманская, 5.
 МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2010
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ВВЕДЕНИЕ
Машины для механических испытаний материалов предназначены для всестороннего исследования механических характеристик машиностроительных материалов и прочности конструкций.
Ответственными узлами испытательных машин, определяющими
их метрологические характеристики, являются силоизмерители.
Допускаемые погрешности силоизмерения варьируются в зависимости от типа машин и устанавливаются ГОСТами на соответствующие типы машин. Наиболее высокие требования предъявляются к силоизмерителям машин для испытаний металлов на
растяжение-сжатие, которые выпускаются серийно. Их допускаемая погрешность не должна превышать ±1 % измеряемой нагрузки
при условии, что нагрузка превышает 10 % наибольшего значения
шкалы данного диапазона. Однако имеются машины высокого
класса, у которых допускаемая погрешность может иметь значение
±0,5 % (и даже ±0,2 %) измеряемой нагрузки.
Силоизмерительные устройства разнообразны по принципу
действия и конструктивному оформлению. В испытательных машинах применяются следующие основные типы силоизмерителей:
 силоизмерители с использованием силы тяжести;
 силоизмерители гидравлического типа;
 силоизмерители с упругим элементом и механическим измерителем деформаций;
 силоизмерители электронного типа.
1. СИЛОИЗМЕРИТЕЛИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ
СИЛЫ ТЯЖЕСТИ
В силоизмерителях такого типа используется сила тяжести
металлических грузов. Эти силоизмерители являются одновременно и нагружающими устройствами [1]. Приложение силы ве3
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
са грузов должно быть статическим, т. е. изменение силы на образце от нуля до конечного значения должно происходить постепенно, плавно, без толчков, ударов или колебаний. Сила тяжести
грузов прикладывается к образцу непосредственно или через рычажную систему. Различные виды таких силоизмерителей показаны на рис. 1.
Рис. 1
4
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
На рис. 1, а представлен силоизмеритель с грузами, вес которых передается на образец. Статическое нагружение обеспечивается винтовой подставкой, на которую вначале опирается подтарельник с грузами. Затем в результате вращения винта опорная
площадка опускается, что создает плавное изменение силы на образце. На рис. 1, б показано ступенчатое нагружение образца при
перемещении вверх тяг захватов с подтарельниками. Рычажные
системы показаны на рис. 1, в и г. Использование рычагов позволяет значительно увеличить силу, создаваемую на образце ограниченным набором грузов. Однако необходимо иметь в виду, что при
повороте рычагов изменяется передаточное соотношение сил.
Предельное отклонение рычагов от среднего положения определяется по допускаемому изменению силы с учетом малых изменений
углов. Положение рычагов контролируется по трем стрелочным
указателям. Возможность плавного изменения силы иллюстрирует
рис. 1, г. Здесь груз перемещается вдоль рычага.
При проектировании силоизмерителя с рычагами необходимо
учитывать факторы, влияющие на передаточное соотношение сил:
трение, обкатывание ножа призмы по гнезду подушки и т. п.
Отношение плеч одного рычага не должно превышать 40, так
как при бóльших значениях практически невозможно обеспечить
нормативную точность силоизмерения. Опоры рычагов выполняют на призмах или шарикоподшипниках. Опоры на призмах
практически не имеют трения, но не допускают реверсирования
сил на рычаге. Опоры на шарикоподшипниках технологичнее,
допускают реверсирование сил, но создают моменты сил трения,
уменьшающие чувствительность силоизмерителя. Поэтому часто
опоры комбинируют: там, где силы большие, устанавливают
призмы, а где маленькие (например, подвеска грузов) – шарикоподшипники.
Призмы и подушки призм изготовляют из закаленной инструментальной стали (например, У8 или У9). Твердость этих деталей по Роквеллу должна составлять 55…60 HRC. Радиусы скругления ножа призмы и подушки призмы должны быть минимально
возможными и лежать в пределах 0,02…0,05 мм. Радиусы и длину ножа призмы подбирают из расчета по допускаемым значениям наибольшего контактного давления p 0 , которое принимают
равным  p0   (2...3)  103 МПа. Давление p0 определяется по
формуле
5
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
p0  0,5642
q R2  R1
,
 R2 R1
(1)
где
q
1  12
1   22
F
;  

.
l
E1
E2
(2)
Здесь F – сила, действующая на шарнир; l – длина ножа призмы;
R1 – радиус скругления ножа призмы; R2 – радиус скругления
гнезда подушки призмы; E1 , 1 – модуль упругости и коэффициент Пуассона материала призмы; E 2 ,  2 – модуль упругости и
коэффициент Пуассона материала гнезда призмы.
Для непрерывной регистрации сил, изменяющихся во времени,
применяют силоизмерители с маятником. Простейшая схема маятникого силоизмерителя представлена на рис. 2.
Сила F, действующая на захват 8, передается через гибкую
связь 7 на сектор 6, который закреплен на оси маятника 9. Ось маятника располагается в опорах, выполненных на шарикоподшипниках. На этой оси расположен стержень 1 с коническим наконечником, который перемещает рейку 4 в горизонтальном направлении. Наконечник скользит по пластинке 2 рейки так, что точка
их контакта всегда находится на дуге окружности радиуса r0 , равного длине стержня 1.
Пунктиром показано положение элементов схемы при наличии
силы F. Под действием этой силы маятник поворачивается на угол
 , при этом рейка перемещается на величину s:
s  r0 sin.
(3)
Рейка вращает зубчатое колесо 3, на оси которого закреплены
стрелка круговой шкалы и шкив. На шкиве защемлен один конец
нити и уложено несколько ее витков, а на другом конце нити –
подвешен грузик 5 с массой несколько десятков грамм. Грузик на
нити обеспечивает постоянную силу прижатия рейки 4 к призме
упора, а также устраняет зазоры в реечной передаче.
6
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 2
Для осуществления измерения сил в разных диапазонах применяют составные маятники в виде набора трех-четырех грузов.
Плавное возвращение маятника в исходное положение при
разрушении образца обеспечивает масляный демпфер. Он состоит
из неподвижного заполненного минеральным маслом цилиндра 10,
где под действием рычага 13 перемещается поршень 12 со штоком.
Верхняя и нижняя полости цилиндра соединяются трубкой с регулируемым вентилем 11. Гидравлическое сопротивление этого трубопровода подбирают таким образом, чтобы при нормальных ско7
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ростях перемещения маятника демпфер не влиял на работу силоизмерителя, а при резком увеличении скорости после разрушения
образца тормозил движение маятника. Регулировка вентиля осуществляется и при изменении массы маятника. В конструкции силоизмерителя всегда имеется регулировочное устройство для точной установки маятника в исходное вертикальное положение.
Сила F при неподвижном маятнике определяется уравнением
F  mg
R
sin,
r
(4)
где m – масса маятника; g – гравитационная постоянная; R – длина
маятника; r – радиус сектора.
Учитывая соотношение (3), получаем
F  mg
R
s.
rr0
(5)
Эта формула является основной и показывает, что силоизмеритель
имеет равномерную шкалу.
При движении маятника возникает дополнительно инерционная сила, которая имеет две составляющих: центробежную силу
 n и тангенциальную силу  t . Сила  n воспринимается опорами маятника и не входит в уравнение моментов относительно оси
маятника.
Тангенциальная сила  t возникает при неравномерном движении маятника с угловым ускорением  m . Она равна
t  mR m .
(6)
Эта сила не учтена в уравнении (4) и, следовательно, приводит к
погрешности F :
F 
mR 2  m
.
r
(7)
При составлении этого выражения предполагалось, что инерционные силы остальных деталей силоизмерителей пренебрежимо малы.
8
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Относительная инерционная погрешность  и равна
и 
F
R
 100 % 
 m  100 %.
F
gsin
(8)
Кроме инерционной имеются иные погрешности, связанные с
трением в опорах и технологическими отклонениями от заданных
размеров.
Маятниковые силоизмерители дают малую погрешность только при небольших угловых ускорениях. По формуле (8) можно
определить предельно допустимое значение  m при заданном
значении  и . Исходя из этого условия можно задавать скорость
деформирования образца. Необходимо учитывать и особенности
планируемых испытаний. Так, при испытаниях на растяжение
образцов из пластичного материала наибольшее значение  m
возникает при подходе к площадке текучести. Рекомендуемый
диапазон скоростей перемещения активного захвата составляет
4…10 мм/мин.
Маятниковые силоизмерители имеют предельную силу порядка 1 кН.
Для измерения сил до 100 кН применяются рычажномаятниковые силоизмерители. Схема такого силоизмерителя представлена на рис. 3. Основное внимание обратим на элементы рычажно-маятникового силоизмерителя, которые отсутствовали в
маятниковом силоизмерителе.
Сила F, действующая на захват 2, предается через рычаг 1 и тягу 7 на кронштейн 5, закрепленный на оси маятника 4 под углом
(90  ) к штанге маятника. На оси маятника закреплена также
планка 6, составляющая с кронштейном угол 90. Планка образует
пару трения с коническим концом рейки 3 реечной передачи.
Пунктиром на рис. 3 показано положение деталей силоизмерителя при действии на захват силы F, которая вызывает поворот маятника на угол  . При этом планка перемещает рейку на
величину
s  c  tg  tg(  )  .
(9)
9
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 3
Из условий статического равновесия силоизмерителя получаем
Fa  Tb;
Trcos(  )  mgRsin ,
(10)
где Т – сила, передаваемая тягой 7.
Соотношения (10) получены в предположении, что угол поворота тяги пренебрежимо мал. Учитывая, что
tg  tg(  ) 
sin
,
coscos(  )
(11)
и решая совместно уравнения (10) и (11), находим:
F
10
mgRbcos
s.
rac
(12)
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Формула (12) дает линейную зависимость силы F от перемещения рейки s , что обеспечивает равномерность шкалы силоизмерителя.
Строго говоря, тяга 7 поворачивается по отношению к своему
первоначальному положению. Однако поворотом тяги можно пренебречь, если выполняются следующие условия: во-первых, длина
тяги должна быть больше (10...15)r и, во-вторых, угол  должен
быть равен половине максимального угла отклонения маятника
max .
Масляный демпфер на рис. 3 не показан, хотя наличие его обязательно во всех силоизмерителях с маятником. Масса подвижных
деталей у рычажно-маятникового силоизмерителя несколько больше, чем у маятникового, но инерционная погрешность в основном
определяется параметрами маятника.
Силоизмерители с использованием силы тяжести твердых грузов имеют высокую стабильность во времени, поэтому они наиболее широко применяются в установках для испытаний на ползучесть и длительную прочность, образцовых динамометрах второго
разряда и эталонных силоизмерительных установках.
2. СИЛОИЗМЕРИТЕЛИ ГИДРАВЛИЧЕСКОГО ТИПА
Силоизмерители гидравлического типа применяются преимущественно в испытательных машинах с гидравлическими силовозбуждающими устройствами. В основном это манометрические
системы. Часто применяют стандартные образцовые манометры,
которые соединяются трубопроводом с рабочим цилиндром испытательной машины и измеряют давление масла в нем. Шкалы манометров градуируют в единицах силы. Погрешность силоизмерения в этих случаях составляет (2...3) % измеряемой величины.
Для снижения погрешности до уровня менее 1 % используется
система, которая включает в себя поршневой преобразователь давления с маятником (рис. 4).
Неподвижный цилиндр 4 поршневого преобразователя соединен трубопроводом с рабочим цилиндром испытательной машины.
Следовательно, давление в них (без учета дросселирования) одинаково. В цилиндре располагаются вращающаяся гильза 3 и плун11
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
жер 2. Плунжер может перемещаться только вдоль оси цилиндра.
Равнодействующая сил давления на плунжер 2 передается через
жесткую рамку 1 и тягу 7 на кронштейн 10 маятника 11 и вызывает отклонение маятника. Планка 9 перемещает рейку 8 регистрирующего устройства.
Рис. 4
Измеритель силы, действующей на плунжер, аналогичен маятниковый части рычажно-маятникового силоизмерителя, рассмотренного выше, его работа описывается такими же соотношениями.
12
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Перемещение рейки s определяется выражением (9). Уравнение равновесия сил имеет вид
p
d 2
rcos(  )  mgRsin ,
4
(13)
где p – давление в цилиндре; d – диаметр плунжера; r – длина
кронштейна;  – угол отклонения маятника;  – угол между
кронштейном и нормалью к штанге маятника.
Планка и кронштейн взаимно перпендикулярны.
Соотношение (13) получено в предположении, что отклонение
рамки 1 от вертикали пренебрежимо мало. Это условие выполняется в том случае, когда длина рамки больше (10…15)r, а угол 
равен половине угла максимального отклонения маятника max .
Уравнение связи F и s получается в результате совместного
решения соотношений (9), (11), (13) и имеет вид
F
4mgRcos
d 2 re
s.
(14)
Уравнение (14) демонстрирует линейность шкалы этого силоизмерителя.
Потери на трение в поршневом преобразователе давления малы вследствие осесимметричности конструкции и наличия вращающейся гильзы 3. Гильза, приводимая во вращение от индивидуального червячного привода с частотой вращения 60…90 мин 1 ,
снижает и стабилизирует силы трения на плунжере. Этот эффект
достигается за счет образования на плунжере стабильной масляной
пленки и отсутствия качественного изменения сил трения при переходе от положения покоя плунжера (при постоянной силе) к
движению плунжера.
Радиальные зазоры между плунжером, гильзой и цилиндром
выполняют небольшими (примерно 0,01 мм), чтобы обеспечить
свободное движение деталей 2, 3 и незначительные утечки минерального масла. Диаметр плунжера выбирают в пределах
12…20 мм.
Плавное возвращение маятника в исходное положение в случае
разрушения образца достигается с помощью шарикового клапана 6
13
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
и вентиля 7. В этот момент клапан закрывается, а поток масла из
цилиндра 4 проходит через вентиль 5, который регулирует расход
масла соответственно массе маятника.
В гидравлических испытательных машинах горизонтального
типа применяют силоизмерители со щелевой камерой (рис. 5).
Рис. 5
Ось рабочего цилиндра 5 в этих машинах расположена горизонтально. Сила тяжести плунжера 6 прижимает его к нижней части зеркала цилиндра, что приводит к возникновению значительных
сил трения, намного превышающих силы трения в аналогичном
цилиндре, расположенном вертикально. В связи с этим определение сил по давлению в цилиндре сопряжено с большими погрешностями, что и привело к созданию силоизмерителей со щелевой
камерой.
Рабочий цилиндр подвешивается на четырех тягах 4 – по две с
каждой стороны. Соединение тяг с цилиндром и станиной выполнено на опорах с призмами. Эта конструкция подвески обеспечивает небольшой ход цилиндра вдоль его оси практически без трения. На днище цилиндра закреплена подвижная часть 3 щелевой
камеры. Неподвижная часть 1 камеры установлена на станине. Открытые торцы обеих частей камеры конструктивно оформляют
таким образом, чтобы создать значительное гидравлическое сопротивление маслу, вытекающему из камеры, и получить линейную зависимость давления в камере от размера осевого зазора между частями камеры. Масло в камеру подается с постоянным
14
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
расходом от многоплунжерного масляного насоса 8. При отсутствии силы на активном захвате масло свободно вытекает из камеры
в бак 7 и давление в камере не повышается. При действии силы F
зазор уменьшается до такой величины, чтобы равнодействующая
сил давления в камере была равна силе F.
Давление в щелевой камере измеряется манометром 2 или
поршневым преобразователем давления с маятником.
Особое место среди силоизмерителей гидравлического типа
занимают месcдозы. Месcдозы являются автономными приборами
и поэтому могут применяться совместно с силовозбуждающими
устройствами любого типа. Месcдозы отличаются высокой жесткостью и малыми потерями на трение.
Месcдоза (рис. 6) состоит из корпуса 2, в котором образуется
замкнутая полость для жидкости, закрытая мембраной 4. Мембрана зажата болтами между фланцем 1 и корпусом 2. Упругое кольцо 3
подкрепляет мембрану. Полость мессдозы заполнена тормозной
жидкостью или минеральным маслом. Сила F, действующая на
пуансон 6, вызывает повышение давления жидкости. Измерение
давления может осуществляться с помощью образцового манометра 5 или других приборов. Высокая жесткость мессдозы объясняется малой высотой полости, размер которой обычно колеблется в
пределах от нескольких десятых долей миллиметра до 1…2 мм.
Рис. 6
15
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Погрешность силоизмерения мессдозы в основном определяется погрешностью регистрирующего прибора.
Недостатками мессдозных силоизмерителей являются:
 температурная погрешность, связанная с относительно большим коэффициентом объемного расширения жидкости;
 уменьшение жесткости, приводящее к нарушению работоспособности, вызываемое появлением пузырьков газа. Весь рабочий объем мессдозы, а также трубопровод и сам регистрирующий
прибор должны быть заполнены жидкостью так, чтобы в них не
было даже микрочастиц газа.
Силоизмерители гидравлического типа применяют в широком
диапазоне сил: от 10 кН до 10 MH.
Силоизмерители с манометрами применяют в гидропульсаторах для регистрации экстремальных значений циклически изменяющейся силы. Шкалы манометров градуируют в единицах силы.
В этом случае манометр максимальной силы и манометр минимальной силы кратковременно (в течение 2...5 % периода цикла)
подключаются к рабочему цилиндру испытательной машины посредством золотников. Подключение соответствующего манометра происходит в момент, когда плунжер пульсатора находится в
крайних положениях. Привод золотников кинематически связан с
кривошипом пульсатора. Таких периодических подключений при
частотах свыше 10 Гц достаточно, чтобы манометры давали стабильные показания. Этот золотниковый распределитель имеет погрешность, обусловленную фазовым рассогласованием между экстремальными давлениями в рабочем цилиндре и крайними
положениями плунжера пульсатора.
Подобной погрешности нет у клапанного экстремального распределителя давления [4], однако он сложнее в эксплуатации и
применяется значительно реже.
3. СИЛОИЗМЕРИТЕЛИ С УПРУГИМИ ЭЛЕМЕНТАМИ
В силоизмерителях с упругими элементами нагрузка передается на упругий элемент, по деформации которого определяется значение силы.
Силоизмерители этого типа можно применять для любых диапазонов сил, они обладают малой инерционностью. Быстродейст16
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
вие силоизмерителей с упругими элементами зависит от присоединенных масс и от возможностей регистрирующего устройства.
Важным преимуществом силоизмерителей этого типа является
также способность воспринимать реверсируемую нагрузку, однако
упругие характеристики при изменении знака нагрузки могут несколько различаться.
Силоизмерителям с упругими элементами будет уделено
особое внимание, поскольку они находят широкое применение в
испытательной технике. Кроме того, их проектированием и изготовлением часто приходится заниматься в исследовательской
работе.
Силоизмерители с упругими элементами состоят из трех частей: центрирующего устройства, упругого элемента и измерителя
деформаций упругого элемента.
Назначение центрирующего устройства – передавать измеряемую силу на упругий элемент и центрировать нагружение, т. е.
обеспечивать заданный вид нагружения упругого элемента. Под
центрированием может подразумеваться: совмещение линии действия силы с осью упругого элемента; стабильная ориентация в
пространстве линии действия силы; обеспечение отсутствия изгибающих моментов, нормальных и поперечных сил в рабочей части
вала, работающего на кручение, и т. п.
Форма упругих элементов разнообразна: стержень, трубка,
замкнутая скоба, пластина и др. Максимальные напряжения в упругом элементе должны быть ниже предела пропорциональности.
Для стали 30ХГСА и подобных ей это напряжение принимают в
пределах 200…300 МПа. Максимальные деформации элемента
определяются регистрирующей системой.
К упругому элементу предъявляют очень высокие требования,
основные из которых:
 высокое значение предела пропорциональности;
 малая зависимость модуля упругости E от температуры;
 минимальная площадь петли гистерезиса;
 стабильность свойств во времени (низкий уровень ползучести при рабочей температуре).
Выполнение этих требований достигается за счет соответствующего выбора материала и всего технологического процесса
изготовления упругого элемента. Особое внимание при этом
должно уделяться ликвидации остаточных напряжений, вызывающих нестабильность свойств во времени.
17
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
В условиях длительного нагружения в упругом элементе
развивается деформация ползучести. Рассмотрим это явление на
примере элемента, применяемого при испытании образцов на
растяжение-сжатие, с помощью графика (рис. 7), на котором
обозначены:  – ось напряжений;  – ось деформаций; t – ось
времени.
Рис. 7
При нагружении образца соответственно отрезку OA графика
напряжение  в упругом элементе возрастает до значения 0 ,
меньшего предела пропорциональности материала. Если напряжение 0 в образце постоянно в течение длительного времени (при
испытании на ползучесть), то в упругом элементе развивается деформация ползучести, определяемая участком B1C1 кривой ползучести материала элемента, а после разгрузки (отрезок D1K1 ) в нем
сохраняется остаточная деформация 1 .
Если же образец испытывается на релаксацию при постоянной
деформации 0  E 0 ( 0 – напряжение в момент нагружения), то
18
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
после нагружения (отрезок OA), происходит падение напряжения.
Это явление описывается участком B2C2 кривой релаксации материала упругого элемента. Разгрузка в этом случае идет по отрезку
D2 K 2 , а остаточная деформация после разгрузки равна  2 .
Для изготовления упругих элементов применяют стали с высоким пределом пропорциональности – 40ХНВА, 50ХФА, 30ХГСА
и др. Ползучесть этих материалов при нормальной температуре
развивается очень медленно. При продолжительности испытаний
не более 1000 ч остаточные деформации 1 или  2 пренебрежимо
малы. При большей продолжительности испытаний остаточные
деформации могут составлять десятые доли процента. Однако после разгрузки и корректировки нуля упругий элемент практически
восстанавливает первоначальную характеристику. Аналогично
этому описывается поведение упругих элементов, работающих
при других видах нагружения.
Для устранения влияния предыстории упругие элементы, которые длительное время находились в нагруженном или ненагруженном состоянии, должны пройти тренировочный цикл «нагружение до предельного значения — разгрузка».
Деформации упругих элементов измеряют с помощью механических устройств или электронных систем.
Силоизмерители с упругими элементами и электронной системой измерения образуют отдельный тип – электронные силоизмерители. Эти приборы будут рассмотрены в следующем разделе.
Три схемы силоизмерителей с упругими элементами различных видов и механическими устройствами измерения деформаций
представлены на рис. 8.
На рис. 8, а показана схема, на которой консольный стержень
прямоугольного поперечного сечения 1 изгибается в плоскости
наименьшей жесткости; прогиб стержня определяется индикатором часового типа 2; направляющая мембрана 3, гарантирует нагружение стержня строго по нормали к его оси.
На рис. 8, б изображен силоизмеритель с упругим элементом в
виде овальной рамки прямоугольного поперечного сечения. Для
измерения деформаций рамки здесь также применен индикатор
часового типа 2. Центрирование осуществляется двумя сферическими шарнирами 3 ограниченного действия, которые расположены в местах присоединения рамки.
19
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 8
Индикаторы часового типа с ценой деления 0,01, 0,002 и 0,001 мм
довольно часто применяются в динамометрах. Они автономны, надежны, но регистрация их показаний проводится только визуально.
На рис. 8, в представлена схема силоизмерителя с винтовой
цилиндрической пружиной сжатия 1. Осадка пружины регистрируется механическим устройством с реечной передачей 2. Центрирование достигается с применением сферических шарниров 3.
Распространенным видом упругого элемента является торсион.
Торсионом называют стержень, который работает только на кручение и у которого один конец заделан, а другой конец располагается в опоре с шарикоподшипниками. Торсионный силоизмеритель применяется как для измерения крутящих моментов, так и для
измерения сил.
Схема торсионного измерителя моментов машины для испытаний на кручение приведена на рис. 9. Торсион 3 нагружается крутящим моментом, приложенным к захвату 4. Рычаг 2, установленный на торсионе, взаимодействует с реечной передачей 1, шкала
которой фиксирует значение крутящего момента. Выбор большого
20
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
расстояния от оси торсиона до
оси рейки передачи 1 дает возможность получить хорошую
развертку шкалы при малых
угловых деформациях торсиона.
Расчеты на прочность и жесткость упругих элементов и
центрирующих устройств проводят методами, рекомендуемыми в курсе «Сопротивление
материалов» [3].
При проектировании упруРис. 9
гих элементов необходимо стремиться к снижению концентрации напряжений. В местах изменения размеров и формы поперечных
сечений переходы должны быть плавными с возможно бóльшими
радиусами скруглений и галтелей.
Центрирующие устройства могут содержать шарниры различных типов, схемы которых представлены на рис. 10.
Схема шарнира в виде двух призм с взаимно перпендикулярными
ножами показана в трех проекциях на рис. 10, а. Шарнир состоит из
верхней опоры с призмой, промежуточной подушки, на которой
имеются гнездо верхней призмы и нижняя призма, и подушки нижней призмы. Для достижения высокой точности центрирования ножи
призм и гнезда подушек в зоне контакта должны иметь минимальные
радиусы скругления. Эти радиусы и длины призм подбирают из расчета на контактное давление по формулам (1) и (2).
На рис. 10, б дана схема шарнира с шариком в подушках со
сферическими лунками. Расчет шарнира проводится также по допускаемому значению  p0  . Расчетная формула имеет вид
 p0   0,5784
2
3
F  R2  R1 

 .
2  R2 R1 
(15)
Здесь F – сила, действующая на шарнир; R1 – радиус шарика; R2 –
радиус лунки;  – коэффициент, определяемый по формуле (2),
(E1 , 1 – модуль упругости и коэффициент Пуассона шарика;
E2 ,  2 – модуль упругости и коэффициент Пуассона подушек).
21
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 10
Шарики изготовлены из шарикоподшипниковой стали, например из стали ШХ-15; подушки – из шарикоподшипниковой стали
или из инструментальной стали.
Соотношение радиусов часто принимают R2 = (1,1…1,3) R1 .
При одинаковых радиусах R1 = R2 = R расчет шарнира ведут по
среднему давлению между контактирующими поверхностями pk ,
которое определяется по соотношению
pk 
F
,
2Rh
(16)
где h – глубина лунки подушки.
Допускаемое значение pk составляет
[pk ]  300...400 МПа.
Однако в этом случае центрирующие свойства шарнира ухудшаются.
22
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Сферический шарнир, изображенный на рис. 10, в, обладает
удовлетворительными центрирующими свойствами, если среднее
давление pk между контактирующими поверхностями не превышает 100…150 мПа. Вычисление pk ведут по формуле (16), где
R – радиус сферы; h – высота сферического пояса контактной поверхности.
На рис. 10, г представлена схема шарнира, состоящего из двух
упругих шарниров, у которых перемычки взаимно перпендикулярны. Перемычки образуются фрезерованием. Допускаемые напряжения в перемычках составляют 200…300 МПа. Перемычки должны
обладать значительной податливостью в плоскости наименьшей
жесткости. Под действием условной силы Т = 0,001F вертикальное
перемещение точки ее приложения (в предположении, что левый
торец защемлен) должно быть равно максимально допустимому
смещению линии действия силы по отношению к оси силоизмерителя, что составляет ориентировочно 0,1…0,5 мм. Обе перемычки
имеют одинаковые размеры.
Все вышеперечисленные аксиаторы передают силу только в
одном направлении. Для изменения направления силы на противоположное необходимо применять реверсор. Это устройство состоит из двух одинаковых рамок со взаимно перпендикулярными
плоскостями. Между опорными площадками рамок располагается
аксиатор. Схема реверсора с шариковым аксиатором изображена
на рис. 10, д.
4. СИЛОИЗМЕРИТЕЛИ ЭЛЕКТРОННОГО ТИПА
Электронными силоизмерителями называются приборы с упругими элементами и электронной системой измерения деформаций упругих элементов.
Силоизмерители этого типа можно применять в любых диапазонах сил. Верхний предел рабочей частоты электронных силоизмерителей с присоединенными массами составляет обычно
20…50 Гц.
Упругие элементы и центрирующие устройства описаны в
предыдущем разделе. Здесь же основное внимание будет уделено
23
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
электронным системам измерения. Эти системы делятся на три
группы:
 раздельного преобразования, т. е. с обособленным преобразователем, формирующим электрический сигнал;
 совмещенного преобразования, когда упругий элемент является составной частью преобразователя;
 компенсационного принципа действия с уравновешиванием
измеряемой силы тарированной силой.
Наибольшее распространение имеют системы раздельного
преобразования. Основными типами преобразователей в них являются тензорезисторы (проводниковые или полупроводниковые),
индуктивные и емкостные преобразователи.
Тензорезистор представляет собой проводник или полупроводник, электрическое сопротивление которого изменяется пропорционально деформации. Деформируется тензорезистор совместно с деталью, на которой он закреплен.
Существует большое количество типоразмеров этих преобразователей [2, 4].
Тензорезисторы наклеиваются или напыляются на рабочую
часть упругого элемента. Наибольшая деформация проводниковых
тензорезисторов (как проволочных, так и фольговых) обычно равна 0,1…0,2 %, Для полупроводниковых тензорезисторов это значение ниже.
Расположение тензорезисторов должно быть симметричным
относительно линии действия силы, а их число и схема соединения
должны обеспечивать оптимальное значение сигнала.
Верхний предел рабочей частоты упругого элемента с тензорезисторами без присоединенных
масс равен 5 кГц для проводниковых тензорезисторов и 10 кГц для
полупроводниковых. Основная погрешность таких силоизмерителей
составляет ± (0,1…1,0) %.
На рис. 11 показан упругий
элемент в виде профилированного
кольца, сопряженного с двумя цилиндрическими оболочками. СтрелРис. 11
ками на рис. 11 обозначены по24
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
верхности, на которые в окружном направлении наклеены фольговые тензорезисторы. Этот упругий элемент имеет практически
одинаковую характеристику при растяжении и сжатии, а также
малочувствителен к эксцентриситету силы. Расчетная схема этого
упругого элемента – профилированное кольцо, нагруженное равномерно распределенным крутящим моментом. Расчет кольца на
прочность и жесткость проводят по методике, изложенной в [5].
Тензорезисторы подключают к универсальной тензоаппаратуре для измерения квазистатических или динамических деформаций.
При низкочастотном изменении сигнала такими приборами
могут быть двухкоординатные самопишущие потенциометры, в
которых по первому каналу записывается значение силы, а по
второму – удлинение образца. Они работают по компенсационному принципу, при котором входное напряжение автоматически
уравнивается напряжением с реохорда прибора. Основная погрешность составляет обычно ±1,0 %, а время пробега указателем
всей шкалы – 0,4 с.
Значительно большим быстродействием по сравнению с приборами, работающими по компенсационному принципу, обладают
цифровые мосты, в которых реализуется метод разностного отсчета. В них нет балансировочных устройств, а на тензорезисторы
подается напряжение в виде биполярных прямоугольных импульсов с частотой 2…3 кГц. Во внешнее устройство информация поступает в нормальном двоичном коде, что дает возможность стыковки с ЭВМ.
В испытательных машинах, оснащенных ЭВМ, аналоговый
сигнал силоизмерителя обрабатывается быстродействующим аналого-цифровым преобразователем и с помощью ЭВМ записывается в виде таблицы или диаграммы на графическом дисплее. Следует отметить, что ЭВМ обычно выполняет и вторичную обработку
информации после окончания испытаний, а также управляет процессом испытания [4].
Индуктивный преобразователь представляет собой магнитопровод, у которого индуктивность изменяется пропорционально
смещению сердечника относительно обмотки (катушки). Это смещение происходит за счет изменения длины (осадки) упругого элемента.
25
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Изменение индуктивности является входным сигналом для
электронной системы, к которой подключен преобразователь. Частота тока, питающего индуктивный преобразователь, находится в
пределах 50… 10 5 Гц. Обычно применяют токи частоты 2…8 кГц,
так как это позволяет использовать те же электронные приборы,
что и для тензорезисторных преобразователей.
Изменение индуктивности может происходить как за счет изменения длины воздушного зазора между сердечником и катушкой, так и за счет изменения площади воздушного зазора.
Для силоизмерителей используют вариант с изменением длины
воздушного зазора. Рабочее перемещение элементов электромагнита в этом случае составляет 0,05…0,5 мм.
Основная погрешность силоизмерителей с индуктивными преобразователями составляет 0,2…1,0 %, а верхний предел рабочей
частоты без присоединенных масс равен 500 Гц.
Схема силоизмерителя с индуктивным преобразователем показана на рис. 12. Упругим элементом здесь является прорезная пружина 2, которая изготовлена из стального цилиндра фрезеровкой
проемов. Расчет прорезных пружин на прочность и жесткость проводится по методике, изложенной в [6].
Катушка преобразователя 4 монтируется на нижней крышке 5,
а сердечник 3 соединен с верхней крышкой 1. Осадка пружины
изменяет размер s, от которого зависит индуктивное сопротивление прибора.
Емкостный преобразователь представляет собой конденсатор
переменной емкости, у которого емкость меняется или при изменении расстояния между обкладками, или при смещении обкладок, которое вызывается деформацией упругого элемента. Эти
преобразователи чувствительны к изменению влажности и давления воздуха.
Основная погрешность силоизмерителя с упругим элементом и
емкостным преобразователем составляет ±(0,25…1,0) %, а верхний
предел рабочей частоты без присоединенных масс равен 2 кГц.
Схема силоизмерителя раздельного преобразования с емкостным преобразователем может быть получена из показанной на
рис. 12 заменой индуктивного преобразователя конденсатором с
переменной длиной воздушного зазора, который изменяется соответственно осадке прорезной пружины.
26
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 12
27
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
На рис. 13 представлена схема силоизмерителя с емкостным
преобразователем, которая является представителем группы систем измерения с компенсационным принципом действия.
Рис. 13
Емкостный преобразватель (конденсатор) 3 состоит из трех
пластин. Верхняя и нижняя пластины установлены на кронштейне
станины и подключены к выходному трансформатору высокочастотного блока питания. Средняя пластина установлена на рычаге 2
жестко закрепленном на конце торсиона 8. Другой конец торсиона
жестко соединен с выходным валом реверсивного моторредуктора 6. При действии силы на захват 1 рычаг 2 смещается от
исходного положения и перемещает пластину 3 вниз. Воздушные
зазоры в конденсаторе изменяются, что приводит к изменению
емкостей в полумостах схемы и создает управляющий сигнал в
электронной системе. Этот сигнал через усилитель 4 и поступает
на управляющую обмотку 5 электродвигателя 6, который начинает
вращаться так, чтобы восстановить исходное положение рычага, и
закручивает торсион на некоторый угол. При восстановлении исходного положения рычага управляющий сигнал становится равным нулю и двигатель останавливается. При этом крутящий момент силы на торсионе уравновешивается крутящим моментом
мотор-редуктора. Значение силы определяется по углу закручивания торсиона с помощью шкалы 7.
28
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Знак управляющего сигнала и, следовательно, направление
вращения электродвигателя зависят от направления смещения
подвижной пластины конденсатора из исходного положения.
Если вследствие инерционности деталей силоизмерителя рычаг
2 «проскочит» исходное положение и сместит пластину вверх, то
электродвигатель начнет вращаться в другую сторону, и исходное
положение рычага будет восстановлено.
Инерционность деталей этой конструкции значительна, поэтому верхний предел рабочей частоты такого силоизмерителя не
превышает 0,2 Гц.
Предельные значения силы для группы компенсационных силоизмерителей невелики и лежат в диапазоне 10 2 … 5,0  10 2 Н,
основная погрешность составляет ±(0,025…0,10) %.
В лабораторной практике для исследования динамических
процессов применяют силоизмерители с пьезоэлектрическими
преобразователями, выполненные по системе совмещенного преобразования. В этих силоизмерителях сила через центрирующее
устройство передается на столбик из пластин, обладающих пьезоэффектом. Этот столбик является одновременно и упругим элементом. Под действием силы на торцах столбика возникает электрический потенциал, пропорциональный значению силы.
Диапазон измеряемых сил для пьезоэлектрических силоизмерителей равен 1,0… 5,0  102 кН, диапазон рабочих частот
0,01 …100 кГц, основная погрешность менее 1,0 %.
Имеются и другие типы преобразователей, которые описаны в [2].
5. ПОВЕРОЧНАЯ СХЕМА
ДЛЯ СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЯ СИЛЫ
Машины для механических испытаний материалов представляют собой контрольно-измерительные приборы, которые являются одним из звеньев в поверочной схеме.
«Вершина» этой схемы – эталонные установки. В них единица силы воссоздается за счет набора эталонных гирь, вес которых прикладывается непосредственно к объекту поверки. Допускаемая погрешность эталонных установок ±0,025 %. При
определении силы тяжести гирь учитывается местная гравита29
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ционная постоянная и выталкивающая сила воздуха с учетом
его параметров.
В конструкции этих установок реализуется схема, показанная
на рис. 1, б. Диапазон создаваемых сил от 10 Н до 1,0 МН.
Эталонные установки предназначены для градуировки образцовых динамометров 1-го разряда. Это в основном переносные
приборы. Динамометр этого типа представляет собой высококачественный упругий элемент с инструментальным микроскопом,
регистрирующим его деформации. Диапазон измеряемых сил от
10 Н до 1,0 МН, допускаемая погрешность силоизмерения
±0,1 %. Эти приборы предназначены для тарировки образцовых
динамометров 2-го разряда. Это стационарные установки, в которых вес эталонных гирь передается на объект тарировки через
рычаг. Допускаемая погрешность силоизмерения динамометров
2-го разряда ±0,2 %. Они предназначены для поверки образцовых
динамометров 3-го разряда.
Образцовые динамометры 3-го разряда – переносные приборы
в виде упругого элемента с механическим отсчетным устройством
на базе индикатора часового типа. Допускаемая погрешность силоизмерения динамометров 3-го разряда ±0,5 %. Область применения – тарировка испытательных машин. Эти динамометры маркируются следующим образом: первые две буквы ДО –
динамометр образцовый, третья буква обозначает вид нагрузки
(Р – растяжение, С – сжатие, У– универсальный). Затем идет разряд III и через дефис предельная нагрузка. Например ДОСIII-50 –
образцовый динамометр третьего разряда сжатия с предельной
силой 50 кН.
Силоизмерители испытательных машин должны периодически
проходить госповерку и внутриведомственную поверку.
Порядок проведения тарировки испытательной машины:
 профилактический осмотр, смазка узлов трения, проверка работы всех узлов и их взаимодействия;
 контрольное трехкратное нагружение машины до предельной
силы и разгрузка;
 закрепление в захватах машины ДОIII, показания которого
считаются эталонными.
Тарировки проводят по каждому диапазону шкалы сил. Машину трехкратно ступенчато нагружают до наибольшего значения
силы данного диапазона (задают не менее 10 уровней сил, начиная
30
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
со значения, равного 10 % наибольшего значения диапазона) с последующей разгрузкой по тем же ступеням. Показания силоизмерителя машины заносят в таблицу.
Погрешность силоизмерителя машины в процентах определяется на каждом уровне как разность показаний ДОIII и силоизмерителя машины, деленная на показания образцового прибора и умноженная на 100. Значения этих величин не должны
выходить за пределы допускаемой погрешности, установленной
для машины.
Кроме того, определяется вариация показаний в процентах при
повторных нагружениях. Она также должна лежать в пределах допускаемой погрешности.
По этим данным составляют тарировочную таблицу и тарировочный график, которые заносят в паспорт машины.
31
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ЛИТЕРАТУРА
1. Бойков В.Н. Учебное пособие по курсу «Машины для механических испытаний материалов». М.: МВТУ им. Н.Э. Баумана, 1985. 28 с.
2. Испытательная техника: Справ: В 2 кн. / Под ред. В.В. Клюева. М.:
Машиностроение, 1982. Кн. 1, 528 с.; кн. 2, 559 с.
3. Феодосьев В.И. Сопротивление материалов. М.: Изд-во МГТУ
им. Н.Э. Баумана, 2007. 592 с.
4. Сухарев И.П. Экспериментальные методы исследования деформации и прочности. М.: Машиностроение, 1987. 212 с.
5. Бояршинов С.В. Основы строительной механики машин. М.: Машиностроение, 1973. 456 с.
6. Пономарев С.Д., Андреева Л.Е. Расчет упругих элементов машин и
приборов. М.: Машиностроение, 1980. 326 с.
ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение ......................................................................................................
1. Силоизмерители с использованием силы тяжести ........................
2. Силоизмерители гидравлического типа .........................................
3. Силоизмерители с упругими элементами ......................................
4. Силоизмерители электронного типа ..............................................
5. Поверочная схема для средств измерения силы ............................
Литература ...................................................................................................
32
3
3
11
16
23
29
32
Документ
Категория
Другое
Просмотров
276
Размер файла
5 629 Кб
Теги
материалы, механической, силоизмерители, машина, испытаний
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа