КУРСОВАЯ РАБОТА
по дисциплине «Основы научных исследований»
на тему
«Месдозы и тензометры»
Содержание:
Введение…………………………………………… …….…………….…....... 2
- Тензометры………………………………………..……………….............. 3
- Измерение усилий с помощью месдоз……………………………..…..... 7
- Измерение контактных напряжений………………………………………12
Список литературы…………………………………………………………… 15
Введение
Невозможно представить себе современную транспортную отрасль, в которой не использовались бы результаты, достигнутые в самых разнообразных областях науки, воплощенные в новых машинах и механизмах, новейшей технологии, автоматизации производственных процессов, научных методах управления.
Сегодня не возможно ни шагу ступить без использования результатов науки.
Постоянно растет поток научно-технической информации, быстро меняются инженерные решения и конструкции. Необходимо хорошо ориентироваться в научной информации, уметь отбирать в ней оригинальные и смелые идеи и технические новшества, что невозможно без навыков исследовательского, творческого мышления.
Современное производство требует умения самостоятельно ставить и решать подчас принципиально новые задачи и в своей практической деятельности в той или иной форме проводить исследования и испытания, творчески используя достижения науки.
- Тензометры
Тензометрия - способ экспериментального определения напряжений в наружных слоях детали, агрегата с помощью тензодатчиков и регистрирующей аппаратуры. Тензометрия получила широкое распространение в самых разных областях науки и техники.
Техническому прогрессу, в общем и специальном машиностроении, способствовало широкое использование современных методов и средств тензометрии, которые позволили на высоком уровне решать задачи, связанные с созданием новых машин. Сложность конструктивных форм узлов и деталей современных машин, многообразие действующих на них нагрузок в большинстве случаев не позволяют определять напряженное состояние расчетным путем при создании машин новых конструкций, то есть новые машины не могут быть правильно спроектированы и выполнены без проведения экспериментальных исследований. Известны различные методы тензометрии, однако наиболее широкое распространение при экспериментальных исследованиях получила электротензометрия.
Различают следующие методы измерения напряжения и деформации:
- Электротензометрия;
- Геометрический:
- Поляризационно-оптический:
- Структурно-наследственный;
- Комбинированный:
Для эксперимента, определяющего деформацию на поверхности твердого тела, используют различные тензометры.
Они бывают следующих видов:
- механические;
- оптические;
- пневматические;
- струнные (акустические);
- электрические;
- электролитические;
- мехстотронные;
- проволочные (фольговые);
- емкостные;
- индуктивные;
- пьезоэлектрические;
- индукционные.
Механические тензометры. Их действие основано на масштабном (без изменения физической природы измеряемой величины преобразовании деформаций базы (недеформированное расстояние между двумя точками, в которых чувствительный элемент тензометра имеет механическую связь с объектом исследования) с помощью механической передачи до величины, удобной для восприятия наблюдателем. В механических тензометрах часто используют рычажные передачи с увеличением в 100-2000 раз и даже более, комбинированные рычажно-шестеренные передачи, например в индикаторах часового типа. Механические тензометры используют обычно как средства предварительной оценки распределения деформаций на объектах исследования. Их установка не требует, как правило, специальной подготовки поверхности объекта исследований. На принципе рычажной передачи были разработаны и ранее применялись механические регистрирующие тензометры для записи динамических деформаций: в этих приборах регистрация осуществлялась, например, алмазным резцом на поверхности стеклянного цилиндра или на металлической пластинке.
Оптические тензометры отличаются от механических главным образом тем, что в них для преобразования (увеличения) деформаций используется световой луч, причем отсчет можно вести как по перемещению светового пятна на шкале тензометра, так и с помощью интерференционных или муаровых полос. Оптические тензометры в основном применяют при лабораторных исследованиях.
Пневматические тензометры. Действие пневматического тензометра основано на изменении расхода воздуха через измерительное сопло, вызванного деформацией чувствительного элемента тензометра. Возникающий при этом перепад давления измеряют обычно с помощью U-образного водяного манометра. Пневматические тензометры применяют только в лабораторных условиях для исследований на моделях. Они требуют тщательной фильтрации воздуха от пыли и влаги и отсутствия внешних воздушных потоков.
Струнные (акустические) тензометры. Их действие основано на измерении частоты собственных колебаний струны, концы которой связаны с объектом исследования таким образом, что деформации объекта исследования передаются струне.
Электрические тензометры. Их действие основано на изменении параметров электрической цепи тензометра (сопротивления, емкости или индуктивности) или генерирования электрических сигналов в соответствии с измеряемой деформацией. Можно назвать следующие виды электрических тензометров: сопротивления, индуктивные, емкостные, пьезоэлектрические и индукционные. Ввиду низкой чувствительности потенциометрические тензометры нашли применение в основном для измерения больших деформаций (0.1...0.5 мм).
Электролитические тензометры. Их действие основано на изменении сопротивления между выводами вследствие перемещения одного из двух электродов, находящихся в электролите, под действием измеряемой деформации. Для линеаризации градуировочной характеристики используется дифференциальная схема (один подвижный и два неподвижных электрода). Эти тензометры имеют ограниченное распространение из-за недостаточной стабильности.
Мехстотронные тензометры. Их действие основано на использовании эффекта изменения внутреннего сопротивления вакуумной электронной лампы или лампы, заполненной инертным газом, при изменении расстояния между электродами (анода, катода или сетки) под действием деформации.
Проволочные (фольговые) тензорезисторы. Их действие основано на принципе изменения сопротивления металлов и полупроводников под действием деформаций. Чувствительность тензорезистора к деформациям характеризуется отношением изменения его сопротивления под действием деформации к величине относительной деформации. Широкое распространение тензорезисторов как универсального средства измерения деформаций объясняется возможностью:
- измерения деформаций при разных размерах базы, начиная с десятых долей миллиметра;
- дистанционных измерений в большом числе точек:
- измерений в широком диапазоне температур при самотермо- компенсации или автоматической схемной компенсации:
- измерений при самых различных внешних условиях (влажность. давление, ионизирующие излучения и др.). неблагоприятных для других измерительных средств;
- измерения многокомпонентных деформаций на локальных участках объекта исследования.
Они также имеют незначительную массу, широкий частотный диапазон, включающий статические деформации и низкий порог реагирования, высокую надежность и сравнительно низкую стоимость.
Емкостные тензометры. Их действие основано на изменении электрической емкости между двумя пластинами, взаимное перемещение которых пропорционально измеряемой деформации.
Емкостные тензометры используют главным образом в качестве чувствительных элементов преобразователей механических величин (давлений, усилий, крутящих моментов, вибраций, точного измерения линейных размеров - емкостные микрометры); для измерения деформаций при экспериментальных исследованиях они широкого применения не получили.
Индуктивные тензометры. Их действие основано на изменении реактивного сопротивления катушки при изменении ее индуктивности.
Пьезоэлектрические тензометры. Их действие основано на пьезоэлектрическом эффекте - возникновении при деформации заряда на гранях пластинок, вырезанных из кристаллов некоторых диэлектриков (кварца, титаната бария, фосфата аммония и др.). Пьезоэлектрические тензометры относятся к группе генераторных преобразователей. Отличительной особенностью пьезоэлектрических преобразователей является невозможность измерения статической составляющей деформации вследствие быстрого стекания, образовавшегося на пластинах заряда. Пьезоэлектрический эффект широко используется в преобразователях быстр сменяющихся давлений и преобразователях параметров вибрации.
Индукционные тензометры. Их действие основано на эффекте возникновения эдс в катушке при перемещении в ней магнита или перемещении катушки в магнитном поле (в том числе другой катушки). Индукционные тензометры также относятся к группе генераторных преобразователей и могут быть использованы в основном для измерения скорости изменения динамических деформаций, поскольку эдс на выводах катушки пропорциональна скорости изменения магнитного поля.
- Измерение усилий с помощью месдоз
Специальное устройство, позволяющее определять силу через величину деформации его упругого элемента, называется месдозой. Для получения более точных результатов ее рекомендуется располагать в зоне непосредственного действия измеряемой силы: например, при измерении усилия прокатки месдозу устанавливают под нажимными винтами стана, при определении усилия ковки - под нижним бойком и т. д. Условия работы месдоз на металлургическом оборудовании весьма тяжелые из-за динамического характера нагрузки, большой ее величины, высокой температуры обрабатываемого металла, влажности и т. д. Поэтому при проведении промышленных экспериментов рабочие элементы месдозы должны быть тщательно защищены от воздействия воды, масла и пара. Кроме того, к конструкциям месдоз предъявляется ряд общих требований: прочность отдельных элементов и соединений; наличие линейной зависимости выходного сигнала от измеряемой нагрузки; независимость показаний от неточной установки и др.
Месдозы различаются формой упругого элемента (цилиндр, кольцо, шар), типом применяемого датчика (емкостные, магнитоупругие. индуктивные и т.п.), а также конструктивным оформлением вспомогательных элементов. Последние предназначаются для крепления месдозы, герметизации ее, вывода проводов охлаждения и т. д.
Рассмотрим некоторые наиболее распространенные типы месдоз с использованием проволочных и фольговых тензорезисторов.
На рис. 1.а представлена упрощенная конструкция месдозы с цилиндрическим упругим элементом, на поверхность которого наклеены датчики сопротивления. Для защиты тензодатчиков от механических повреждений н воздействия окружающей среды упругий элемент помещается в герметизированный стальной кожух. Чтобы обеспечить хорошее центрирование месдозы. на нее иногда устанавливается подпятник, поверхность которого соответствует поверхности сопрягаемой детали. Во многих случаях при установке месдоз на действующем оборудовании в силу ограниченности свободного пространства не удается использовать месдозу с одним упругим элементом из-за чрезвычайно большой его высоты. Для уменьшения высоты месдозу изготавливают с несколькими упругими элементами.
|
|
|
|
Рисунок 1 - Упрощенная конструкция месдоз:
а - цилиндрической:
1 - подпятник: 2 - упругий элемент; 3 - тензорезисторы: 4 - крышка; 5 - уплотнения;
б - с прямоугольными чувствительными элементами:
1 - корпус: 2 - упругий элемент: 3 - уплотнение;
в - с кольцевым упругим элементом:
1 - упругий элемент: 2 - крышка; 3 - штуцер;
4 - подпятник; 5 - прокладка; 6 - уплотнение.
К недостаткам многостержневых месдоз с цилиндрическими упругими элементами следует отнести сравнительную сложность изготовления стержней одинаковой длины и трудности в наклейке тензорезисторов из-за ограниченности пространства между стержнями. Более простой в изготовлении и монтаже является месдоза, состоящая из рабочих стержней, выполненных в виде прямоугольных параллелепипедов на общем основании (рис. 1.б). Анализ работы такой месдозы показывает, что при идентичных условиях она работает не хуже цилиндрической, но высота упругого элемента при этом будет несколько больше. Разновидностью цилиндрических месдоз являются кольцевые, где упругий элемент имеет вид пустотелого цилиндра, на поверхность которого наклеиваются тензодатчики (рис. 1.в). Такие месдозы используются, когда измеряются небольшие усилия: их рабочий элемент должен быть выполнен так, чтобы получить большие напряжения в стенке.
|
|
Рисунок 2 - Конструкция датчика давления:
а - цилиндрического:
1 - упругий элемент; 2 - корпус; 3 - рабочие тензорезнсторы;
4 - компенсационные тензорезнсторы: 5 - отверстие для вывода
проводов:
б - мембранного типа:
1 - корпус с упругим элементом; 2 - крышка; 3 - тензорезистор; 4 - выводные провода.
В некоторых видах металлургического оборудования (прессах, молотах) усилие деформирования создается с помощью гидравлических устройств и поэтому силовые параметры можно определить путем измерения давления рабочей жидкости, воздуха или пара. При статических измерениях применяют месдозы с упругим элементом трубчатого или мембранного типа. Конструкция датчика давления с цилиндрическим трубчатым упругим элементом приведена на рис. 2.а.
Открытый конец трубки связан с гидросистемой, в которой измеряется давление. В стенке упругого элемента возникает схема напряженного состояния двухосного растяжения.
Рабочие тензорезисторы располагаются перпендикулярно образующей цилиндра вдоль направления главного напряжения oL. Если средний радиус цилиндра R намного больше толщины стенки h (R/h > 10), то распределение напряжений по ее толщине можно считать равномерным и величина давления р определяется по формуле:
(1)
При выборе размеров цилиндра необходимо учитывать, что для исключения влияния контактных сил трения тензорезисторы должны располагаться на расстоянии свыше 2R от его концов. Такие месдозы имеют линейную зависимость выходного сигнала от измеряемого давления, высокую стабильность характеристик и вполне достаточную точность.
|
|
Схема датчика давления мембранного типа приведена на рис. 2.б. В данном случае упругим элементом является тонкая пластинка, толщина которой h в зависимости от радиуса R определяется по формуле:
(2)
где [] - допускаемое напряжение материала мембраны на растяжение.
Предполагая, что тензодатчики наклеены в центре круглой пластинки, заделанной по контуру и нагруженной равномерно распределенным давле-нием р, можно записать:
|
|
(3)
Для повышения выходного сигнала в этом случае применяется специальный фольговый тензодатчик (рис. 3). В связи с тем, что расчет по формуле (3) может быть выполнен только приближенно, такие датчики давления требуют предварительной тарировки. Месдозы мембранного типа просты и удобны в эксплуатации, имеют стабильные во времени характеристики и обладают хорошей точностью.
|
|
Рисунок 3 - Специальный фольговый датчик
- Измерение контактных напряжений
Большое значение в теории и практике процессов ОМД имеют контактные напряжения, от величины и характера распределения которых зависит стойкость рабочего инструмента, качество продукции и экономичность процессов. Для измерения удельных давлений и сил трения применяют так называемые точечные (штифтовые) месдозы. которые преобразуют усилия, действующие в данной точке, в упругие деформации элементов месдозы.
Рассмотрим конструкцию одной из месдоз, предназначенной для измерения контактных напряжений (рис. 4).
Месдоза состоит из цилиндрического корпуса, который монтируется в валок, и штифта, представляющего собой два цилиндра, сопряженных усеченным конусом. Часть штифта, предназначенная для наклейки тензорезисторов. выполняется обычно в виде тонкостенного цилиндра для увеличения деформационной чувствительности. Кроме этих основных элементов, в конструкцию вводятся вспомогательные регулировочные и установочные детали. В процессе измерения на контактную поверхность штифта в общем случае действуют нормальная сжимающая Р и поперечные Т силы:
, (4)
где р - удельное давление; τ - сила трения; F - площадь торца штифта.
|
|
|
|
Рисунок 4 - Конструкция точечной месдозы:
1 - штифт: 2 - корпус
Таким образом, штифт нагружен одновременно изгибающим моментом н сжимающей силой, которые могут быть зарегистрированы по отдельности путем включения тензорезисторов в определенную схему. Следует иметь в виду, что удовлетворительные результаты для определения касательных напряжений могут быть получены при строгой ориентировке штифта относительно рабочего инструмента. Это достигается соответствующей разметкой штифта при наклейке тензорезисторов и ориентацией сопрягаемых поверхностей. Кольцевой зазор между концом штифта и корпусом месдозы должен составлять примерно 30 мкм на сторону. При большом зазоре деформируемый материал может затекать, что приводит к заклиниванию штифта. Если зазор слишком мал, то под действием сил трения поверхности штифта и корпуса могут соприкасаться, а это искажает результаты. Чтобы приблизить измерения к измерению в точке, диаметр штифта должен быть как можно меньшим. Однако практически изготовить достаточно прочный и жесткий штифт диаметром менее 1 мм с необходимыми допусками и чистотой поверхности весьма трудно. Кроме того, в этом случае на результаты измерений начинают влиять микронеровности контактирующих поверхностей. Поэтому - обычно диаметр штифта выбирают в пределах от 1.5 до 2,5 мм. Размеры отдельных элементов штифта рассчитывают по известным формулам сопротивления материалов. Конфигурация контактной поверхности корпуса месдозы выполняется в соответствии с формой той части рабочего инструмента, где она устанавливается. Для обеспечения точности измерений деформации корпуса месдозы и штифта под действием рабочих нагрузок должны быть одинаковыми, это обеспечивается конической формой свода корпуса.
Следует отметить, что такие месдозы обладают рядом определенных недостатков. При штифтовом методе регистрируются не сами контактные напряжения, а их интегральные значения (силы), действующие на торцовую поверхность штифта. Наибольшие искажения получаются на входе и выходе из контактной зоны, а также на участках с большим градиентом контактных напряжений, что связано главным образом с неточечным характером измерений. При использовании штифтовых месдоз нарушается целостность рабочего инструмента, что несколько изменяет характер его работы и приводит к затеканию обрабатываемого металла в зазоры. Эти факторы могут существенно исказить результаты измерений.
Поскольку точечные месдозы предназначены для регистрации нормальных касательных напряжений, то при их тарировке чувствительный элемент должен быть нагружен нормальной и касательной силами. Для большей достоверности результатов операцию тарирования рекомендуется проводить как до, так и после испытаний.
Список литературы
Книга
- ГОСТ 24026-80. Исследовательские испытания. Планирование эксперимента. Термины и определения. - Москва: Изд-во стандартов, 1989. - 21 с.
- Аугамбаев. М. Основы планирования научно-исследовательского эксперимента / М. Аугамбаев. А.З. Иванов. Ю.И. Терехов: - Ташкент: Укнтувчи, 1993. - 336 с.
- Кругов В.И. Основы научных исследований / под ред. В.И. Крутова, В.В. Попова. - Москва: Высшая школа, 1989. - 400 с.
- Сухарев И.П. Экспериментальные методы исследования деформаций и прочности / И.П. Сухарев. - Москва: Машиностроение, 1987. - 212 с.
Электронные ресурсы
- Основы электротензометрии: [Электронный ресурс] // padaread.com... М., 2008-2017. URL: http://padaread.com/?book=38458 (Дата обращения: 04.11.2017).
Скачать: