close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Dobroborsky Opredelenie koncentracii

код для вставкиСкачать
Министерство образования и науки
Российской Федерации
Санкт-Петербургский государственный
архитектурно-строительный университет
Автомобильно-дорожный факультет
Кафедра наземных транспортно-технологических машин
ДЕТАЛИ МАШИН
Методические указания по выполнению лабораторной работы
«Определение концентрации напряжений в деталях машин»
Санкт-Петербург
2012
1
УДК 621.81/85
Рецензент д-р техн. наук, профессор С. А. Волков (СПбГАСУ)
1. Цель работы
Детали машин: метод. указания по выполнению лабораторной
работы «Определение концентрации напряжений в деталях машин» /
сост. Б. С. Доброборский; СПбГАСУ. – СПб., 2012. – 19 с.
Целью настоящей работы является определение деформаций
и напряжений в деталях машин методами тензометрии.
2. Общие сведения о тензометрии
Содержатся общие положения и расчетные зависимости, описание лабораторной установки, последовательность выполнения работы.
Предназначены для студентов инженерных специальностей.
Ил. 8.
 Санкт-Петербургский государственный
архитектурно-строительный университет, 2012
2
Тензометрия означает измерение деформаций.
Тензометрические методы исследований нашли в последнее время широкое распространение в технике. С помощью тензометрии
можно изучать работу машин и их деталей в лабораторных и производственных условиях, исследовать медленно- и быстропротекающие
процессы, записывать изменение во времени деформаций, напряжений, сил, колебаний и т. д.
В настоящее время находят применение различные методы измерения деформаций: механические, оптико-механические, оптические, электрические и др.
Наибольшее распространение получил электрический метод
благодаря целому ряду его достоинств. При электрическом методе
деформация вызывает изменение какого-либо электрического параметра (сопротивления, индуктивности, емкости), а уже это изменение воспринимается регистрирующим устройством. Таким образом,
аппаратура состоит из двух обязательных элементов: датчика, т. е.
элемента, воспринимающего деформацию детали и преобразующего
изменение деформации в изменение одного из электрических параметров, и регистрирующего прибора (стрелочный прибор, осциллограф и др.). Благодаря отделению датчика от регистрирующего прибора появляется возможность сделать датчик достаточно легким и малогабаритным, устанавливать его в труднодоступных местах, а также
на движущихся деталях машин. Электрический метод позволяет регистрировать как статические, так и динамические процессы и одновременно фиксировать показания ряда датчиков. Из всех типов электрических датчиков (индукционных, емкостных, омического сопротивления) далее будут рассмотрены только проволочные датчики
омического сопротивления, которые благодаря простоте изготовле3
ния, незначительной массе, удобству применения и другим достоинствам получили исключительно широкое распространение при экспериментальных исследованиях.
3. Проволочные датчики сопротивления
На рис. 1 изображен проволочный датчик омического сопротивления (тензодатчик). Основной частью датчика является проволочная решетка (материал проволоки – константан, нихром и др.; диаметр проволоки от 10 до 50 мк), которая наклеена на бумажную подложку 2.
Рис. 1. Проволочный датчик
сопротивления
К концам проволочной решетки приварены выводы 3, представляющие собою обычные электропроводники, диаметром значительно большим диаметра проволоки решетки, предназначенные для соединения с помощью пайки с проводами измерительной схемы.
К исследуемой детали датчик приклеивается бумажной подложкой.
В качестве клея используется «Момент» и др.
Принцип действия проволочного датчика основан на изменении
омического сопротивления проволоки решетки при ее деформации.
Решетка деформируется вместе с исследуемой деталью, на которую
наклеен датчик. Относительное изменение омического сопротивления
датчика линейно связано с относительной деформацией зависимостью
4. Измерительная аппаратура
При измерении деформаций с помощью проволочных датчиков
используется обычно мостовая схема их подключения к измерительной аппаратуре (рис. 2). Мост составлен из четырех сопротивлений, из
которых в частном случае R1 – датчик, R2, R3 и R4 – постоянные сопротивления. Стороны ab, bc, cd, ad моста называются плечами моста.
Рис. 2. Мостовая схема
К диагонали а–с моста подключается источник питания 1,
а к диагонали b–d – измерительный прибор 2. Диагональ b–d называется измерительной. Разность потенциалов между точками b и d моста равна нулю, а следовательно, и ток в измерительной диагонали равен нулю, если выполняется условие
R1 R2
=
R4 R3 .
(1)
где R – начальное сопротивление проволоки датчика; ∆R – приращение сопротивления; ε – относительная деформация проволоки;
у – коэффициент пропорциональности, называемый также коэффициентом тензочувствительности.
Для выполнения условия (1) производится балансировка моста,
которая заключается в том, что к основным сопротивлениям в плечи
моста подключаются добавочные (балансировочные) сопротивления
такой величины, чтобы ток в измерительной диагонали отсутствовал.
При этом под каждым из сопротивлений R1–R4 соотношения (1) следует понимать полное сопротивление плеча, равное сумме основного
и добавочного сопротивлений.
Если вследствие деформации сопротивление наклеенного на
деталь датчика изменится на ∆R и станет равным Rp + ∆R, то условие
4
5
∆ R / R = yε ,
(1) нарушится, между точками b и d возникнет разность потенциалов
и по измерительной диагонали моста пойдет ток. По величине тока
в измерительной диагонали, регистрируемого прибором 2 и пропорционального изменению сопротивления датчика, и определяется величина деформации детали в месте, на котором наклеен датчик.
Сопротивление датчика изменяется также при изменении температуры.
Это происходит главным образом вследствие зависимости удельного сопротивления материала проволоки датчика от температуры.
Нагрев же датчика в основном обусловлен выделением тепла в решетке датчика при прохождении по нему тока.
При мостовой схеме включения датчиков температурная компенсация выполняется без затруднений. Для этого в качестве сопротивления R4 (см. рис. 2) применяется компенсационный датчик Rк, т. е.
такой же точно датчик, как и рабочий, но наклеенный не на исследуемую деталь, а на специальную пластинку из того же материала, что
и деталь. При изменении температуры сопротивления рабочего и компенсационного датчиков изменяются одинаково, условие (1) и балансировка моста не нарушаются. Температурная компенсация осуществляется автоматически, если рабочие датчики включаются в два
плеча моста (R1 и R4 на рис. 2) или во все четыре.
В качестве измерительного прибора 2 (см. рис. 2) применяются
при измерении статических (медленнопротекающих) деформаций:
а) высокочувствительные стрелочные приборы (гальванометры
и др.) или шкалы балансировочных устройств;
б) стрелочные приборы с усилителями.
При измерении (регистрации) динамических процессов применяются:
а) осциллографы;
б) осциллографы с усилителями.
В данной работе для измерения деформаций тарировочной балочки применяется измеритель статических деформаций ИД-70. Принципиальная схема и общий вид прибора приведены на рис. 3. Прибор
состоит из блока питания 1, усилителя 3, микроамперметра 4 и элементов измерительного моста, к которым относятся постоянные сопротивления R, реохорд 2, балансировочные сопротивления с переключателями П2 и П3.
6
Рис. 3. Измеритель статических
деформаций ИД-70
Полностью измерительный мост получается после подключения
к клеммам А, О и К прибора рабочего Rр и компенсационного Rк датчиков. Блок питания 1 служит для соответствующего преобразования
и подачи напряжения на измерительный мост через переключатели
П2 и П3 балансировочных сопротивлений, используемых для грубой
балансировки моста. Окончательная балансировка осуществляется
с помощью реохорда 2. При отсутствии полной балансировки на измерительной диагонали моста возникает разность потенциалов. Ток,
возникающий в измерительной диагонали, усиливается усилителем 3
и регистрируется микроамперметром 4. После полной балансировки
стрелка микроамперметра устанавливается на нуле. При этом положении по шкале реохорда берется нулевой отсчет.
После приложения нагрузки исследуемая деталь с наклеенным
на нее рабочим датчиком деформируется, изменяется омическое сопротивление датчика, происходит разбаланс моста, стрелка микроамперметра отклоняется от нулевого положения. Производится повторная балансировка моста с помощью реохорда, берется отсчет по
шкале реохорда. По разнице показаний шкалы реохорда при нагруженной детали и отсутствии нагрузки (нулевой отсчет) можно определить величину деформации (напряжения и др.) исследуемой детали, если известен тарировочный коэффициент.
Для регистрации быстропротекающих процессов применяется,
как уже было сказано, осциллограф с усилителем или без него. Схема
подключения датчиков к осциллографу с усилителем приведена
на рис. 4. Принципиально эта схема отличается от схемы, приведен7
ной на рис. 2, лишь тем, что в качестве регистрирующего прибора
применен осциллограф. Сопротивления, из которых составляются
вторые половины измерительных мостов, блок питания и балансировочные устройства, находятся обычно в одном корпусе с собственно
усилителем, предназначенным для усиления разности потенциалов,
возникающей на измерительной диагонали моста (мостов). Усиленный сигнал подается на гальванометр осциллографа.
Рис. 5. Схема гальванометра
Осциллограф, кроме кассеты, включает в себя блок гальванометров, оптическую систему, механическую и электрическую части.
Кассета 2 (см. рис. 6) состоит из подающей катушки 3, приемной катушки 4, приводного 5 и прижимных валиков 6. Все эти элементы
помещены в светонепроницаемый корпус кассеты. Перед работой
кассета заправляется фотолентой 7.
Рис. 4. Схема подключения датчиков к измерительной аппаратуре:
1 – усилитель; 2 – осциллограф; 3 – полумосты из датчиков
Гальванометр (рис. 5) является главным элементом осциллографа и представляет собой рамку 1 из нескольких витков изолированной медной проволоки, укрепленную на ленточной растяжке 2 из
немагнитного металла (бронза, алюминий). Растяжка натягивается пружиной 3. Над рамкой на верхней части растяжки укреплено зеркальце 4.
Рамка (гальванометр) помещается в поле постоянного магнита. Концы обмотки рамки присоединяются к измерительной диагонали моста (см. рис. 2), т. е. гальванометр является измерительным прибором.
Когда ток измерительной диагонали моста протекает по рамке и взаимодействует с магнитным полем, рамка и зеркальце поворачиваются вокруг вертикальной оси гальванометра на угол, пропорциональный силе тока.
В лабораторных работах по деталям машин используется двенадцатиканальный осциллограф Н-115, имеющий 12 гальванометров.
Осциллограф Н-115 (рис. 6) представляет собой прямоугольный корпус 1, внутри которого расположены все узлы, за исключением кассеты 2, устанавливаемой при работе в направляющих на задней стенке
корпуса.
8
Рис. 6. Осциллограф Н-115
При установке кассеты в рабочее положение приводной валик 5
и приемная катушка 4 через зубчатые передачи соединяются с приводом перемотки фотоленты, который расположен в корпусе осциллографа. При включении привода фотолента с заданной скоростью перематывается с катушки 3 на катушку 4 (или подается в окно в задней
стенке корпуса кассеты, минуя катушку 4), проходя мимо щели в пе9
редней стенке корпуса кассеты. Щель закрыта в нерабочем положении кассеты шторкой 8 и открывается (шторка поднимается с помощью упоров на корпусе 1 осциллографа) при установке кассеты в рабочее положение. Щель в корпусе кассеты расположена против щели
в задней стенке корпуса осциллографа, чем обеспечивается свободный проход световых лучей из осциллографа к фотоленте. Привод обеспечивает 14 скоростей движения фотоленты: от 0,5 до 10 000 мм/с.
Оптическая схема осциллографа приведена на рис. 6. Она включает в себя систему регистрации и наблюдения, систему отметки времени и систему продольного графления.
Ход лучей системы регистрации и наблюдения показан на рис. 6
сплошными тонкими линиями. Источник света 9 (ртутная лампа)
с помощью цилиндрического конденсора 10 посылает яркую световую полосу, которая попадает на зеркальца 11 гальванометров 12. От
зеркальца каждого гальванометра световой луч с помощью сферической линзы 13 гальванометра и цилиндрического объектива 14 собирается в плоскости фотоленты 7 в виде яркого пятна, которым
и осуществляется запись регистрируемого процесса на фотоленте.
Часть светового луча, идущего от зеркальца гальванометра, отражается зеркалом 15 на зеркальный барабан 16 и от него на матовый экран 17, где изображается также в виде яркого пятна, которое служит
для визуального наблюдения за работой гальванометра.
Таким образом, изменение деформации исследуемой детали
в месте наклейки датчика преобразует с помощью датчика (см. рис. 1),
мостовой схемы соединений (см. рис. 2) и гальванометра (см. рис. 5)
осциллографа d пропорциональное отклонение луча света на фотоленте. При движении фотоленты процесс изменения деформации исследуемой детали фиксируется на фотоленте, т. е. получается график
изменения деформации (напряжения, силы, момента и др.) во времени. Фотолента с такой записью и называется осциллограммой. По
величине отклонения линии записи процесса от своего нулевого положения (от положения при отсутствии тока в измерительной диагонали моста) с помощью тарировочного коэффициента (см. п. 5 настоящей работы) можно определить величину деформации (напряжения,
силы, момента и др.) в любой момент времени записанного на осциллограмму процесса. Для облегчения обработки записи процесса на
осциллограмме наносятся поперечные линии отметки времени и линии продольного графления.
Для определения величины деформации (напряжения) исследуемой детали кроме показаний регистрирующей аппаратуры необходимо знать тарировочный коэффициент, для чего производится тарировка датчиков, а точнее, всей измерительной схемы с помощью балки равного сопротивления изгибу (рис. 7).
С этой целью на тарировочную балку наклеиваются датчики таким образом, чтобы каждый из них деформировался так же, как и на
10
11
Ход лучей системы отметки времени показан на рис. 6 штрихпунктирными линиями. Для записи отметок времени свет от источника 9 с помощью цилиндрического конденсора 18, зеркал 19, 20, 21
и цилиндрического объектива 14 фокусируется на фотоленте 7 в виде
тонкой полоски, перекрывающей фотоленту по всей ширине. Зеркало
20 помещено внутри барабана 22, имеющего продольные щели. При
работе осциллографа барабан 22 приводом от синхронного двигателя
может вращаться с различными скоростями (3–30–300–3000 об/мин).
Луч света попадает на зеркало 20, а следовательно, и на фотоленту
только в момент, когда очередная щель барабана открывает ему путь
к зеркалу. При равномерном вращении барабана и при движении фотоленты на последней появляется отметка времени, т. е. поперечные
линии с интервалами в 2, 0,2, 0,02 или 0,002 с.
Ход лучей системы продольного графления показан на рис. 6
штриховыми линиями. Световой поток от источника 9 проходит через щелевую диафрагму 23 и направляется зеркалами 24, 25 и 26 на
цилиндрический объектив 14, который собирает его в виде яркой поперечной линии в плоскости фотоленты. Непосредственно перед фотолентой установлена металлическая пластинка 27 с рядом узких вертикальных щелей. В результате на фотоленту попадает ряд световых
точек с шагом 2 мм, которые при движении фотоленты и наносят на
ней линии продольного графления.
Механическая часть осциллографа включает привод для перемотки фотоленты, привод барабана 22 (см. рис. 6), привод барабана
16 и вентилятор.
Электрическая часть осциллографа состоит из цепей питания
электродвигателей приводов, цепи питания ртутной лампы (источника света) и цепей управления и сигнализации.
5. Тарировка датчиков
Рис. 7. Тарировочная балка
Информация о тензодатчиках
детали, т. е. создается эквивалентная схема расположения датчиков.
В таблице показаны эквивалентные схемы расположения датчиков на
тарировочной балке при измерении деформаций (напряжений) растяжения, сжатия, изгиба и кручения.
Датчики, наклеенные на тарировочной балке, подключаются
к прибору, производится начальная балансировка мостовой схемы
и регистрируется показание прибора. После этого балка нагружается
грузом Q и фиксируется новое показание прибора.
Напряжение изгиба σ на тарировочной балке от нагрузки Q определяется по известным формулам сопротивления материалов
σ = M/W , Н/мм2;
(2)
M = Ql , Н·мм;
(3)
W = bh 2 / 6, мм3.
(4)
Тарировочный коэффициент определяется при использовании стрелочных приборов или шкал балансировочных устройств по формуле
α=
σ
,
Δ
(5)
а при применении осциллографа – по формуле
α=
σ
hσ .
(6)
В формулах (2)–(6) приняты следующие обозначения: М – изгибающий момент в месте наклейки датчика на тарировочной балке;
W – момент сопротивления сечения тарировочной балки в месте наклейки датчика; Q – нагрузка, приложенная к балке, Н; l – плечо приложения нагрузки Q, мм; b, h – размеры сечения балки в месте наклейки датчика, мм; ∆ – разность отсчетов по шкале стрелочного прибора (число делений) или по шкале балансировочного устройства
(в данной работе – по шкале реохорда измерителя статических де12
13
формаций ИД-70) при данной нагрузке Q и при Q = 0; hσ – величина
отклонения светового зайчика на осциллограмме (рис. 8) от своего
нулевого положения при нагружении балки силой Q, мм.
Рис. 8. Осциллограмма при тарировке датчиков
6. Последовательность выполнения работы
6.1. Наклейка датчиков
Производится наклейка рабочего датчика Rp на тарировочную
балку и компенсационного Rк на специальную пластинку. Для этого
необходимо:
1) зачистить наждачной бумагой места приклейки датчиков;
2) на тарировочной балке (на ее краях) нанести риски, отмечающие положение середины рабочего датчика после его наклейки;
3) поверхности в местах наклейки датчиков обезжирить, протерев ватой, смоченной в ацетоне;
4) наклеить датчики; для выравнивания слоя клея под датчиками каждый из них накрыть бумажкой и слегка разгладить;
5) прикрыть каждый датчик мягким войлоком, пластинкой из
пластмассы и пригрузить небольшим грузиком; в таком положении
датчики оставить для просушки клея в течение 24 ч.
6.2. Определение тарировочного коэффициента
Определение тарировочного коэффициента производится в следующем порядке:
1) снять с датчиков грузики, пластинки и войлок;
2) осторожно отделить концы выводов датчиков и припаять к ним проводники, предварительно закрепив последние изоляционной лентой для предотвращения возможности обрыва датчиков;
14
3) проверить датчики омметром на отсутствие обрыва и замыкания с массой;
4) подключить рабочий Rp и компенсационный Rк датчики
к клеммам А, О и К прибора ИД-70 (см. рис. 3);
5) при отсутствии нагрузки на тарировочной балке
(Q = 0) включить питание прибора и произвести грубую балансировку измерительного моста с помощью переключателей П2 и П3. Грубая
балансировка заканчивается, когда стрелка микроамперметра при
переводе переключателя П3 на одно положение переходит через нуль;
6) реохордом установить стрелку микроамперметра на нуль
и записать в отчет показание шкалы реохорда – нулевой отсчет;
7) нагрузить тарировочную балку грузом Q = 20 H (стрелка микроамперметра при этом отклонится от своего нулевого положения);
8) поворотом рукоятки реохорда установить стрелку микроамперметра на нуль. Записать показание шкалы реохорда;
9) поступая аналогично предыдущему, последовательно нагружать
балку грузами Q = 40, 60 Н, а потом разгружать (Q = 60, 40, 20, 0 Н).
Показания шкалы реохорда записывать в отчет;
10) выключить питание прибора и отсоединить провода от клемм;
11) измерить плечо l и размеры b и h поперечного сечения балки
в месте наклейки датчика и записать эти данные в отчет;
12) зарисовать в отчет схему тарировочной балки (см. рис. 7),
принципиальную схему измерителя статических деформаций ИД-70
(см. рис. 3, а) и общий вид прибора (см. рис. 3, б);
13) используя формулы (2)–(5), вычислить:
а) момент сопротивления W тарировочной балки в месте наклейки датчика;
б) изгибающие моменты М в месте наклейки датчика при нагрузках Q = 20, 40, 60 Н;
в) напряжения изгиба а тарировочной балки при нагрузках
Q = 20, 40 и 60 Н;
г) разность отсчетов ∆ по шкале реохорда при данной нагрузке
Q и при Q = 0;
д) тарировочный коэффициент α (цену деления шкалы реохорда прибора ИД-70 при данной схеме включения датчиков);
е) среднее значение тарировочного коэффициента αср.
Данные записать в отчет.
15
7. Форма отчета
5. Результаты измерений
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА
«Определение концентрации напряжений в деталях машин»
№
п/п
Параметр
Условия
Момент сопротивления W
В месте наклейки
датчика
В месте наклейки
датчика,
Q = 20 Н
В месте наклейки
датчика,
Q = 40 Н
В месте наклейки
датчика,
Q = 60 Н
Q = 20 Н
Q = 40 Н
Q = 60 Н
1. Определение тарировочного коэффициента
№
п/п
Параметры
Условия
Результат
Показания шкалы
реохорда
Изгибающие моменты М
Напряжения изгиба а
l
b
h
Результаты
Разность отсчетов ∆ по шкале
реохорда
2. Схема тарировочной балки
Тарировочный коэффициент
α
Среднее значение тарировочного коэффициента αср
6. Выводы
3. Схема измерителя статических деформаций
4. Общий вид прибора
Студент_____________
Группа________
Отчет принял ________________
16
17
Оглавление
1. Цель работы .......................................................................................................3
2. Общие сведения о тензометрии .......................................................................3
3. Проволочные датчики сопротивления.............................................................4
4. Измерительная аппаратура ...............................................................................5
5. Тарировка датчиков......................................................................................... 11
6. Последовательность выполнения работы .....................................................14
6.1. Наклейка датчиков ..................................................................................14
6.2. Определение тарировочного коэффициента ........................................14
7. Форма отчета ...................................................................................................16
ДЕТАЛИ МАШИН
Методические указания по выполнению лабораторной работы
«Определение концентрации напряжений в деталях машин»
Составитель Доброборский Борис Самуилович
Редактор А. В. Афанасьева
Корректор М. Б. Воронкова
Компьютерная верстка И. А. Яблоковой
Подписано к печати 27.12.12. Формат 60×84 1/16. Бум. офсетная.
Усл. печ. л. 1,2 Тираж 100 экз. Заказ 215. «С» 123.
Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет.
190005, Санкт-Петербург, 2-я Красноармейская ул., д. 4.
Отпечатано на ризографе. 190005, Санкт-Петербург, 2-я Красноармейская ул., д. 5.
18
19
20
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
1 122 Кб
Теги
koncentracii, dobroborsky, opredelenie
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа