Разработка АСУТП развальцовки труб в трубных решетках теплообменных аппаратов на базе комплектных микроконтроллеров

         Основное преимущество этого  метода состоит в том, что  можно производить исследования  деформаций на больших поверхностях объекта ис, .едования практически с любой степенью локализации. При нанесении сеток на объект исследований методом травления можно исследовать поле деформаций при высоких температурах, вплоть до температур свечения металлов, например при сварке или ковке.

         К   недостаткам   метода   относится   сравнительная   сложность   обработки результатов измерений и невозможность полной автоматизации этого процесса.

Метод хрупких покрытий. В основу метода положен эффект образования трещин под действием нагрузок на объект исследования в тонком слое тонкого покрытия, предварительно нанесенного на поверхность этого объекта исследования. Высокая хрупкость покрытия, обеспечивающая образование в нем трещин при относительных удлинениях, меньших предела текучести материала объекта исследования, связана с тем, что в процессе высыхания покрытия в нем образуются остаточные напряжения (двухосное растяжение).

       Исследование  напряженно-деформированного состояния,  особенно при сложных формах объекта исследования, целесообразно начинать с применения метода хрупкого покрытия, что позволяет выя вить зоны наибольших напряжений, определить направления главных напряжений и произвести приближенную оценку величин напряжений на поверхности объекта исследования. По результатам тензометрирования методом хрупких покрытий может быть получена наиболее рациональная схема расстановки более точных средств тензрметрирования для дальнейших исследований. Погрешность определения деформаций и напряжений методом хрупких покрытий 10-20%.

       Метод гальванических покрытий. Если на поверхность объекта исследования нанести медное (или из медных сплавов) гальваническое покрытие, то при повторно-переменном нагружении объекта на поверхности покрытия появляются темные пятна. Размер и цветовая интенсивность пятен увеличиваются с увеличением числа циклов нагружения и зависят также от величин напряжений в каждом цикле. Толщина покрытия обычно не более 0,01 мм, поэтому деформации покрытия практически полностью соответствуют деформациям объекта исследования.

         Если число циклов нагружения  объекта исследования известно, то минимальное значение напряжений, соответствующее появлению пятен, определяется модулем упругости материала объекта исследования, химическим составом электролита, используемого для нанесения покрытия, и технологией нанесения.

          При известной величине напряжения  в объекте исследования можно определять число циклов действия нагрузок, соответствующих этим напряжениям.

Тензорезисторы. Их действие основано на принципе изменения сопротивления металлов и полупроводников под действием деформаций.

Чувствительные элементы тензорезисторов (рисунок 1) могут быть выполнены в виде петлеобразной  решетки из тонкой проволоки (рисунок 1а) или фольги (рисунок 16), в виде пластинки монокристалла из полупроводникового материала.

Рисунок 1 - Теторезисторы:

       Чувствительные  элементы могут быть также  образованы напылением в вакууме полупроводниковой пленки и другими способами.

       Чувствительный  элемент 4 обычно прикрепляют к основе 2 из изоляционного материала (бумага, лаковая пленка, ткань и др.) с помощью связующего 3 (клея, цемента), которые передают деформацию чувствительному элементу. На объекте исследования основу закрепляют также посредством связующего. Для электрического соединения тензорезистора с измерительными схемами имеются выводы 1.

        Особенность тензорезистора состоит  в том, что его чувствительный элемент (решетка), как правило, имеет механическую связь с объектом исследования по всей длине измерительной базы (а не только по концам базы).

Чувствительность  тензорезистора к деформациям характеризуется отношением изменения его сопротивления под действием деформации к величине относительной деформации. Широкое распространение тензорезистров 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 самотермокомпенсации или автоматической схемной компенсации;

-  измерений  при самых различных внешних  условиях (влажность, давление, ионизирующие излучения и др.), неблагоприятных для других измерительных средств;

-  измерения  многокомпонентных деформации 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.

Тензорезисторам свойственны и некоторые недостатки:

-     невозможность индивидуальной градуировки;

-  возможность  только однократного использования  (исключая тензорезисторные преобразователи механических величин);

-   относительно  невысокая чувствительность и  относительно низкий абсолютный уровень выходных сигналов.

      Однако эти недостатки не помешали  широкому использованию тензорезисторов как самого массового и универсального средства экспериментальных исследований в машиностроении.

 

          4.1.1.2 Компоновка датчика крутящего момента

         Определение величины моментов  сил (крутящихся моментов) в приводах и трансмиссиях машин с помощью тензорезисторов производят тремя способами: непосредственным измерением деформаций закручивания вала исследуемого механизма; измерением окружной силы, передаваемой специальным силоизмерителем, встроенным в трансмиссию, и, наконец, специальным тензометрическим преобразователем крутящего момента.

          Первый способ прост, однако  далеко не на каждый вал  можно наклеить тензорезисторы; кроме того, некоторые валы выполняют с большим запасом прочности, что уменьшает измеряемые деформации, увеличивая тем самым погрешность измерения.

Второй и  третий способы обеспечивают наибольшую точность, но требуют демонтажа и даже временного (частичного) изменения конструкции исследуемого узла или разрыва силовой цепи, что не всегда осуществимо.

Рисунок 2 - Измерение крутящего момента:

а - тензомстриронапие  шиш, передающего крутящий момент;

б - измерение окружного  усилие на колесе.

       Встроенный силоизмеритель или преобразователь крутящего момента может быть подобран нужной чувствительности и точно проградуирован.

        На рисунке 2а показаны два  варианта первого способа измерения момента силы на валу. При наклейке тензорезисторов по варианту I деформации от изгиба вала, воспринимаемые тензорезисторами, меняются в зависимости от угла поворота вала. При наклейке по варианту II оба тензорезистора включаются в два соседних плеча моста, поэтому влияние деформаций изгиба вала практически исключается, поскольку деформации обоих тензорезисторов при изгибе вала одинаковы по знаку и величине. 3 этом случае исключаются также погрешности, вызванные изменением температуры вала. Тензорезисторы располагают как можно ближе друг к другу.

         Могут быть также наклеены четыре тензорезистора, соединенные по схеме полного моста. Тензорезисторы, воспринимающие деформации одного знака, включают в противоположные плечи мостовой схемы.

          В приложении приведена конструкция  преобразователя крутящего момента. Чувствительный элемент преобразователя выполнен в виде вала, установленного в двух подшипниках в копрусе; в правой части вала установлен токосъемник. Такие преобразователи разных размеров применяют для измерения крутящих моментов в диапазоне от 0,05 до 50 Н-м при угловых скоростях до 600 - 1500 рад/с.

         4.1.1.3 Расчет чувствительного элемента

Проверим заданную толщину  месдозы по допустимым касательным напряжениям

         Рисунок 3-Схема поперечногосечения  месдозы

 

где    М _кр - крутящий момент на валу;

          D - внешний диаметр месдозы;

         d - внутренний диаметр.

Условие прочности  в этом случае:

  ; 

      Для  стали 40х допустимое касательное  напряжение [т] = 90МПа. Толщина месдозы:

;

       Из  данных   формул   можно   вывести   минимально-допустимую  толщину месдозы:

 

 

 

По условию 8 = 2мм, что  удовлетворяет условию с некоторым запасом прочности, что приведет к уменьшению чувствительности датчика, но предотвратит возможность разрушения месдозы вследствии действия других сил, возникающих при наклеивании тензорезисторов и монтаже месдозы.

        Оценку коэффициента преобразования при изменении момента сю делают путем расчета. Однако такой способ рекомендуется только в тех случа. когда полностью исключена возможность градуировки  тензоиетрируемого вала.

        Для расчетов используем следующие  соотношения:

 

 Для сплошного вала    еод;

Для  полого вала     еод;

 

 

где    М - измеряемый крутящий момент, Н-м;

          D — наружный диаметр вала, мм;

          d - внутренний диаметр вала, мм;

          a - угол между осью наклонного тензорезистора и образующей вала;

        G - модуль сдвига, Гпа.

       

           Деформация  лежит в допустимых  пределах ±3  тыс.еод,  следователь* разрушения тензорезистора не произойдет.

Рассчитаем  сигнал с выхода тензометрического  моста:

где      Un - напряжение питания датчика;

          - изменение сопротивления тензорезистора;

           R - сопротивление плеча моста.

                    

          Относительное приращение сопротивления  тензорезисторов находим по известному коэффициенту преобразования и тензочувствительности.

 

   Тензочувствительность  определяется по справачным данным

 

         Так как диапазон изменения  напряжения на выходе датчиков  очень мал, то полученное напряжение необходимо усиливать. При выборе тензорезисторов принимают во внимание характер решаемой задачи, требуемую чувствительность и точность измерений, а также упругие и структурные особенности материала объекта исследования. Разброс метрологических характеристик тензорезисторов увеличивается как с уменьшением, так и с увеличением базы. В первом случае увеличение разброса вызвано ухудшением условий передачи деформации на решетку, во втором -трудностями, связанными с надежным закреплением большебазных тензорезисторов на поверхности объекта исследования. По этим причинам во всех случаях, когда позволяют задачи исследований, применяют теи.орезист базами от 5 до 50 мм.

       Номинальное сопротивление тензорезисторов  должно соответствовать входным данным применяемых тензометрических преобразователей или приборов. При тензометрировании машин чаще всего применяют тензорезисторы с номинальным сопротивлением 100 - 400 Ом.

      Согласно задания, с учетсшг  изложенного выше, выбираем фольговый тензорезистор 1ФКТК, имеющий следующие характеристики:

-    номинальное  сопротивление-100 Ом;

• рабочий ток - 30 м А;
• рабочий диапазон температур - 235-325 К;

- активная база - 5 мм;

- габаритные размеры - 14x8 мм;

• материал основы - пленка БФ-2.

 

  4.1.1.4 Разработка технологии  крепления тензорезистора

   Закрепления датчика   требует от исполнителя работы  по наклейке полупроводниковых тензорезисторов большой осторожности и навыков. Сначала на поверхности детали, например, вала (месдозе), на котором требуется закрепить тензометры, формируется подложка, которая обеспечивает электрическую изоляцию металла вала от незащищенной поверхности полупроводниковых тензометров.

Обычно формируют одновременно две подложки на диаметрально противоположных поверхностях вала. При создании подложки необходимо выполнить следующие условия - она должна иметь минимальную толщину, что уменьшает ползучесть, равно и гистерезис датчика и достаточную для обеспечения механической прочности и электрической изоляции. Поверхность подложки располагается на середине длины месдозы. Размеры подложки выбираются из расчета размещения на ней тензометрического полумоста и мест закрепления на ней медных выводов тензометров. Технология формирования подложки подобна технологии приклеивания тензометров и определяется техническими требованиями на применение клея. После отвердения клея выполняется визуальный контроль качества подложки. Она должна быть равномерной по толщине и не иметь воздушных пузырьков. С помощью омметра с пределом измерения 10¹² Ом проверяется сопротивление изоляции подложки относительно вала. Оно должно быть равным не менее 10¹⁰ Ом. Из двух подложек выбирается лучшая и на ней приклеиваются тензометры Выдержать геометрические параметры размещения тензометров  на поверхности вала  сложно. Часто используется маска , представляющая собой шаблон с закрепленными на нем в ориентированном положении тензометрами. Далее маску визуально ориентируют относительно разметки, выполненной на поверхности вала, что способствует более точному закреплению тензометров на месдозе.