Силоизмерители машин для механических испытаний материалов


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

УДК 620.22
ББК 30.3
     Б77

Рецензенты: Б.Н. Ушаков, С.Е. Квашнин
     Бойков В.Н.
Б77     Силоизмерители машин для механических испытаний ма-
     териалов: 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

                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 ве


3

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

   На рис. 1, а представлен силоизмеритель с грузами, вес которых передается на образец. Статическое нагружение обеспечивается винтовой подставкой, на которую вначале опирается подта-рельник 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 больших 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 p₀ , которое принимают равным [p0] = (2...3) -103 МПа. Давление p₀ определяется по формуле

5

p0 = 0,5642

q R 2— Ri й R2 Ri ,

(1)

где

f     1 -м2
q⁼7; й = ~t ⁺

¹ ⁻м2
E2

(2)

Здесь F - сила, действующая на шарнир; l - длина ножа призмы; R1 - радиус скругления ножа призмы; R₂ - радиус скругления гнезда подушки призмы; E₁ , м₁ - модуль упругости и коэффициент Пуассона материала призмы; E₂ , м₂ - модуль упругости и коэффициент Пуассона материала гнезда призмы.
   Для непрерывной регистрации сил, изменяющихся во времени, применяют силоизмерители с маятником. Простейшая схема маят-никого 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 Ф, при этом рейка перемещается на величину 5:


5 = r0 sinф.


(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

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 ско

7

ростях перемещения маятника демпфер не влиял на работу сило-измерителя, а при резком увеличении скорости после разрушения образца тормозил движение маятника. Регулировка вентиля осуществляется и при изменении массы маятника. В конструкции си-лоизмерителя всегда имеется регулировочное устройство для точной установки маятника в исходное вертикальное положение.
   Сила F при неподвижном маятнике определяется уравнением


R
F = mg—sinq>, r


(4)

где m - масса маятника; g - гравитационная постоянная; R - длина маятника; r - радиус сектора.
   Учитывая соотношение (3), получаем


F = mg—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 Ф n и тангенциальную силу Ф t. Сила Ф n воспринимается опорами маятника и не входит в уравнение моментов относительно оси маятника.
   Тангенциальная сила Ф ₜ возникает при неравномерном движении маятника с угловым ускорением sm. Она равна
Ф t = mR s m.                   (6)


Эта сила не учтена в уравнении (4) и, следовательно, приводит к погрешности AF:


AF = mR'
r


(7)

   При составлении этого выражения предполагалось, что инерционные силы остальных деталей силоизмерителей пренебрежимо малы.


8

   Относительная инерционная погрешность Ди равна

     ,\F
Ди =-----100 % =
  и F

  R
  ■ S m g smф

•100 %.

(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 sₘ при заданном значении Ди . 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 sₘ 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° - а) 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 силоизме-рителя при действии на захват силы F, которая вызывает поворот маятника на угол ф. При этом планка перемещает рейку на величину
5 = c [ tga + tg(9-a)].            (9)

9

Рис. 3

   Из условий статического равновесия силоизмерителя получаем

Fa - Tb; Trcos(o -a) - mgRsino,         (10)


где Т - сила, передаваемая тягой 7.
   Соотношения (10) получены в предположении, что угол поворота тяги пренебрежимо мал. Учитывая, что

z ч sino tga + tg(o - a) =--------------,
                                 cosacos(o - a)


и решая совместно уравнения (10) и (11), находим:

_ mgRbcosa
F            S.
rac


(11)

(12)

10