Розділ 1

Розділ 1. Машини та прилади для випробувань

У сучасному світі не існує такої галузі науки і техніки, такої сфери практичної діяльності людей, де одним з вирішальних чинників прогресу не були б вимірювання. Випробування матеріалів, а саме експериментальне визначення їх механічних і фізичних властивостей, необхідне для розрахунку елементів конструкцій і споруд, а також деталей машин. У більш вузькому сенсі слова, під випробуванням матеріалів мається на увазі механічне випробування з метою з'ясування механічної міцності матеріалу. На практиці застосовуються такі види механічних випробувань: на розрив (розтяг); на роздроблення (стиск); на згин; на кручення; на удар.

1.1. випробувальні МАШИНи

1.1.1. Машини для випробування на розтяг і стиск

Розрізняють три види машин для випробувань на розтяг і стиск:

otstup.png розривні машини, що дозволяють прикладати до зразка тільки розтягуючі зусилля (для стиску зразків на таких машинах потрібне додаткове пристосування);

otstup.png преси для отримання тільки стискаючих зусиль (наприклад, твердомірів ТК і ТШ);

otstup.pngуніверсальні машини, на яких можна здійснювати як випробування на розтяг, так і стиск, а також згинання.

За способом створення зусилля випробувальні машини можна розділити на два основних типи:

а) машини з механічним навантаженням, які, в свою чергу, діляться на гвинтові і важільні;

б) машини з гідравлічним навантаженням.

У гвинтових машинах зусилля, що діє на зразок, створюється за допомогою гвинта. У важільних машинах навантаження зразка здійснюється за допомогою системи важелів. До цього типу машин відносяться, наприклад, важільні твердоміри, в яких зусилля зазвичай створюється вантажем і визначається його масою.

У гідравлічних машинах зусилля в зразку виникає у наслідок збільшення тиску рідини на поршень у робочому циліндрі.

Випробувальні машини розрізняються між собою також силовимірювальними пристроями. Більшість мають маятникові силовимірювачі, що являють собою маятникову противагу, яка відхиляється пропорційно до діючого на зразок навантаження.

 

1.1.1.1.      Машини з гідравлічним приводом

 

Найбільш поширеним обладнанням для випробування на розрив є машини з гідравлічним приводом. У лабораторії механіки матеріалів і конструкцій є в наявності вертикальна універсальна випробувальна машина УИМ-50, яка розрахована на граничне навантаження 50 тонн. Силовимірювач цієї машини являє собою комбінацію гідравлічного силовимірювального циліндра з важільно-маятниковою системою і має  чотири шкали з максимальним навантаженням: 5т, 10т, 25т і 50т. Ця машина призначена головним чином для статичних випробувань металів на розтяг, стиск та згин. Загальний вид машини наведено на рисунку 1.1.

1.1.png

 

Універсальна випробувальна машина складається з трьох частин: робочої частини (гідравлічний прес) І, силовимірювального пристрою ІІ та силового агрегата (насосної станції) ІІІ з регулятором і пусковою апаратурою.

На чавунній основі машини 1 встановлені чотири колони 2, що зєднані зверху нерухомою поперечиною 7, на якій міститься робочий циліндр 8 із поршнем 9, що при підкачуванні мастила піднімає траверсу 6 (рис. 1.2).

Робоча частина складається з двох траверс: нижня 10 – нерухома, а верхня 6 – рухома. Максимальна величина підняття рухомої траверси машини 265 мм. Нерухому траверсу 10 встановлюють по висоті (залежно від довжини зразка, за допомогою переміщення механічного приводу установчого захвату.

1.2.png

Рухома траверса 6 переміщується тільки вверх за рахунок гідравлічної системи навантаження. Для проведення досліджень на стиск у комплекті машини передбачено спеціальні опори, а на згин – переставні полозки, для встановлення на низ дослідних зразків.

На машинах з гідроприводом важче підтримувати задану швидкість деформування зразка, ніж під час використання механічного приводу (Швидкість деформації і швидкість деформування – різні поняття. Швидкість деформування характеризує зміну довжини зразка за одиницю часу, а швидкість деформації – зміну відносного подовження, у відсотках, за одиницю часу).

Зі збільшенням опору деформуванню матеріалу зразка зростає тиск мастила в робочому циліндрі. При цьому посилюється просочування рідини через зазор між циліндром і поршнем та швидкість деформування зменшується. Для її підтримки на постійному рівні необхідно збільшити подачу рідини в циліндр пропорційно до її витікання. Цей недолік машин з гідроприводом досить великий, коли механічні властивості випробувального матеріалу помітно залежать від швидкості деформації, наприклад, при підвищених температурах. Мастило, що накопичується між робочим поршнем і циліндром, виводиться по мастилопроводу.

Навантаження, що діє на зразок, вимірюється маятниковим сило- вимірювальним пристроєм. Зміна тиску мастила в робочому циліндрі передається по трубопроводу 11 поршню 8, який переміщуючись, викликає поворот важеля 12. Коли важіль 12 обертається, штанга 13 маятника 14 відхиляється доти, поки його момент врівноважить момент сили, прикладеної від поршня 8 до важеля 12. Штовхач 15 переміщує зубчасту рейку, що обертає шестерню, на вісь якої насаджені дві стрілки шкали 16 силовимірювального пристрою. Одна з них має фіксатор для другої, яка призначена для того, щоб зафіксувати значення навантаження, при якому відбувається руйнування.

Діаграмний апарат машини 17 призначений для автоматичного записування діаграми розтягу в процесі випробування. Він складається з барабану, який з’єднано з верхньою траверсою 6 шляхом блоку ниток, і самозаписувача, який з’єднано зі стрілкою силовимірювача. Лінійне переміщення траверси 6 перетворюється в обертальний рух барабана 17. На барабані закріплюється паперова стрічка для запису діаграми розтягу. Самозаписувач, жорстко насаджений на зубчасту рейку, повністю повторює її рух, будуючи силову лінію діаграми у певному масштабі. У той самий час по осі абсцис (теж у масштабі)  відкладається подовження зразка.

Шляхом навішування змінних вантажів на штангу маятника можна встановити різні граничні межі вимірювання навантажень: 5, 10, 25 і 50 тон.

1.1.1.1.      Машини з механічним приводом

Машини з механічним приводом зазвичай мають відносно невелику потужність і, як правило, розраховані на руйнівне зусилля не більше 5-10 тон. Особливості конструкції такого типу установок розглянемо на прикладі машини типу УММ-5, яка використовується в лабораторії «Механіка матеріалів і конструкцій» кафедри технічної механіки (рис. 1.3).

Випробувальна машина двоколонна, вертикальна, з механічним переміщенням рухомої траверси нижнього затискача і маятниковим силовимірювачем. Дозволяє проводити випробування з максимальним  навантаженням 5 тонн.  Для випробувань на даній машині використовують зразки відповідно до ГОСТ 1497-84 (ІСО 6892-84) «Металлы. Методы испытаний на растяжение».

1.3.png

Машина призначена для випробування зразків на розтяг, стиск і згин при нормальній температурі навколишнього середовища. Має електромеханічний привод активного затискання і важільно-маятниковий силовимірювач та робочу частину. Блок приводу плавно регулює кутову швидкість двигуна з кратністю 1:100, що дозволяє змінювати швидкість руху активного захвату машини від 1 до 100 мм/хв. Принципова схема машини зображена на рисунку 1.4.

1.4.png

На чавунній литій станині 9 є направляючі, по яких може переміщатися у вертикальному напрямку нижня траверса машини 1, на якій встановлено нижній затискач 2. Верхній затискач 4 закріплений у верхній частині станини 5 є нерухомим. Він з’єднаний з динамометричним пристроєм, призначеним для визначення навантаження.

Характер деформації визначається напрямком переміщення нижнього затискача 2. Під час розтягування в затискачі 2 і 4 встановлюється випробовувальний зразок 3. Поступальне переміщення (вгору або вниз) траверса 1 отримує за допомогою вантажного гвинта 10 за рахунок обертання черв’ячного редуктора, розташованого усередині фундаменту машини 9. Робоче обертання черв’ячного редуктора здійснюється асинхронним електродвигуном через коробку передач.

Опускання нижнього затискача при нерухомому верхньому викликає розтяг зразка 8. Рух нижнього затискача через зразок передається на верхній затискач машини. Переміщення викликає відхилення важеля 5 маятника 4, з яким вони з’єднані шарніром. При відхиленні важеля, маятник повертається і займає похиле положення, яке і визначає навантаження на зразок.

Машина має силовимірювач 6 та діаграмний апарат барабанного типу 7, що дозволяє записувати у великому масштабі діаграму навантаження зразків.

Силовимірювач має чотири шкали навантажень для статичних випробувань з різною ціною поділок. Ці шкали призначені для вимірювання граничних статичних навантажень у 0,5; 1; 2,5 і 5 тонн.

Деформації на діаграмному аппараті можна отримувати в масштабі 1:2. Відстань між захватами під час розтягування – 0-800мм, відстань між захватами при стиску – 700мм, максимальна відстань між захватами під час випробування на згин – 600мм, максимальний допустимий прогин зразка під час випробування на поперечний згин – 68мм.

 

 


 

 

1.1.2. Машини для випробувань на кручення

 

 Для випробування зразків на кручення використовують випробувальну машину з механічним навантаженням, на який випробовують стандартні зразки з різних матеріалів (ГОСТ 3595-80 «Металлы. Метод испытания на кручение»).

Крутильна машина КМ-50, яка є в наявності в лабораторії кафедри, з максимальним крутильним моментом 500 Н·м, призначена для проведення різних випробувань на кручення зразків круглого, прямокутного і кільцевого перерізів. Загальний вигляд машини показано на рисунку 1.5.

Машина має станину, на якій змонтовані механізми навантаження і силовимірювання. КМ-50 належить до машин з важільним маятниковим силовимірювачем.

1.5.png

Принципово-кінематична схема машини наведена на рисунку 1.6. На станині машини, що складається з основи 15, двох колон 14 і траверси 13, змонтовані усі основні вузли: механізм навантаження, силовимірювальний механізм, пристрій для розрахунку кутів закручування і самописний діаграмний апарат. Кріплення зразка в затискачах 11 здійснюється за допомогою клиновидних вкладишів з рифленою робочою поверхнею, набір яких для зразків різних розмірів і перерізів входить до комплекту машини. Для установки зразків різної довжини нижній (активний) затискач можна швидко переміщувати, обертаючи маховик 2.

1.6.png

Механізм навантаження. Електродвигун через коробку швидкостей і червячну пару 1 призводить в обертання ходовий гвинт 13 разом з нижнім затискачем 11. Механічний привод передає валу дві швидкості обертання –  0,3 і 0,1 об/хв.

Силовимірювальний механізм забезпечує реєстрацію величини крутильного моменту, що передається через зразок, який випробовують до верхнього (пасивного) затискача. При навантаженні зразка верхній затискач разом з валом 10 повертається на невеликий кут, пропорційний величині крутильного моменту, і викликає за допомогою гнучкої тяги 8 відповідне відхилення маятника 3 від вертикального положення.

Кут закручування (кут повороту нижнього затискача відносно верхнього) в межах 3600 визначають за шкалою кутів закручування 16 зі стрілочним покажчиком. Для відліку цілого числа обертів машина забезпечена лічильником 17 з межею вимірювання 10 обертів. Показання кута закручування за шкалою 16 відповідають відносному куту закручування нижнього 11 і верхнього 11 затискачів машини.

Механізм силовимірювання. При закручуванні зразка верхній затискач 11 намотує на свій вал 9 тонку гнучку тягу, яка відхиляє маятник 3 до тих пір, поки не буде урівноважений крутильний момент, що виникає в зразку.

При відхиленні маятника 3 через важіль 7 приводиться в рух зубчаста рейка 6, на одному кінці якої закріплюється самозаписувач діаграмного апарату 4, а на іншому зубчаста пара, що переміщає стрілку шкали навантажень 5. Одночасно перо, що закріплене на рейці, записує на діаграмному апараті 4 залежність mkr.png. Масштаб запису кута закручування φ: 1град зкручування = 2мм на барабані. Барабан 4 приводиться в обертання від ходового гвинта гнучким зв’язком.

У комплекті для маятника є три різних вантажі, що дозволяють створювати такі границі вимірювання крутильного моменту: 100, 200 і 500 Н∙м (10, 20 і 50 кгс∙м).

1.1.3.  Машини для випробувань на удар

 

При виборі матеріалу для деталей, або єлементів конструкцій, які   піддаються динамічним впливам, керуються так званою ударної пробою. Вона полягає в тому, що зразки матеріалу піддають руйнуванню, вимірюючи кількість енергії, витраченої на руйнування зразка.

Ударна в’язкість сильно залежить також від наявності різного роду дефектів у структурі металу (тріщини, порожнечі, неметалеві включення та ін.). Тому випробовування на ударну в’язкість відноситься також до числа поширених технологічних проб, які виявлятимуть якість матеріалу. Такі випробування проводять на ударний розрив або згин.

Руйнування зразків здійснюється зазвичай на маятникових копрах із запасом енергії 300Дж, так як великий надлишок енергії, що залишається після удару, негативно впливає на точність вимірювань.

 

Випробування на ударний згин.

 

Випробування на ударний згин (злам) надрізаних зразків має великі переваги: воно вимагає більш дешевих і простих машин і дозволяє виявити небезпечну крихкість там, де випробування на розрив дає хороші результати. Для випробування на ударний згин використовують маятникові копри МК-30 (із максимальною енергією удару 30 кгс×м). На рисунку 1.7 наведено схему та загальний вид копра.

1.7.png

На масивній основі 1 (рис. 1.7, а) встановлено стійки 2 зі швелерів, пов’язаних вгорі поперечиною. До верхньої частини стійок 2 на горизонтальній осі кріпиться маятник 7, що являє собою плоский сталевий диск, який має в середині ніж 8. Підйомна рама 5 може повертатися навколо своєї осі, і її положення фіксується храповиком 4.

Маятник 7 відхиляється вручну і за допомогою защіпки 6, яка забезпечена запобіжним стопором, закріплюється на підйомній рамі 5. При підйомі маятника одна зі стрілок шкали 3 відхиляється на кут, відповідний (в поділках шкали) потенційній енергії маятника в зведеному положенні, і вказує запас енергії маятника.

Дослідний зразок 11 встановлюється на опори 10, положення яких можна в певних межах регулювати. Відстань між опорами має бути такою, щоб зруйнований зразок не заклинював ніж 8.

Спуск маятника відбувається за допомогою рукоятки защіпки 6. При падінні маятник, пройшовши нижнє положення і зруйнувавши зразок, відхиляє іншу стрілку шкали 3 на кут, що відповідає енергії, збереженої в маятнику після руйнування зразка (в деяких конструкціях маятникових копрів відлік потенційної енергії здійснюється не по круговій шкалі, а по прямолінійній) (рис. 1.8).

1.8.png

Робота, витрачена на руйнування зразка, дорівнює різниці енергії маятника до і після удару. Для зупинки маятника при зворотному ході копер обладнаний стрічковим гальмом 12. Перед кожним випробуванням гальмівний пристрій зводиться натисканням педалі 9.

У масових динамічних випробуваннях на згин зразків з надрізом ударна в’язкість – єдина вихідна характеристика випробування. Діаграма деформації зазвичай не записується, так як це пов’язано зі значними експериментальними труднощами. Загальний час випробування вимірюється частками секунди, тому для фіксації залежності навантаження від деформації потрібні малоінерційні чутливі датчики і швидкодіючий прилад для запису діаграм. Зазвичай використовують п’єзокварцеві динамометри і шлейфові осцилографи.

 

Випробування на ударний розтяг.

 

Один з найважливіших плюсів ударних випробувань, як методу оцінки стану металу, – підвищена чутливість. Так, наприклад, коливання механічних властивостей біля середнього значення для сталі (0,35% С) складають: для ударної в’язкості ан 99%, для границі міцності σв – 15%, для відносного залишкового подовження ε  – 8,8% і для відносного залишкового звуження ψ – 5,7%.

На величину ударної в’язкості часто впливає і спосіб виплавки сталі: електросталь має найбільшу, безсімерівська – найменшу, мартенівська –проміжну величину ударної в’язкості.

Ударна в’язкість в значній мірі відображає стан поверхні зразка, так як деформації в зразку розподіляються нерівномірно і часто бувають зосереджені, в основному, в поверхневих шарах. Наявність твердих поверхневих шарів знижує ударну в’язкість, а м’які поверхневі шари підвищують її.

Випробування на ударний згин проводять на маятникових копрах Шарпі  (рис. 1.9, а) із  запасом енергії піднятого маятника 300Дж. Копер призначений для проведення випробувань як на ударний розтяг, так і на ударний згин

1.9.png

Опис установки для випробувань. Схема маятникового копра Шарпі показана на рис. 1,9, б. Копер складається з основи 1, на якій кріпеться стояк 2. До верхньої частини стояка на горизонтальній осі підвішений маятник 3, що являє собою плоский сталевий диск з вирізом. З іншого боку маятника є отвір з різьбою для вкручування зразка 9  (при проведенні випробувань на ударний розтяг), на який зверху накручується «тарілка» 10. Крім того, на осі маятника встановлена ​​стрілка 4, навпроти якої до стояка 2 прикріплена шкала 5 для відліку витрат енергії на руйнування зразка. Шкала проградуйована в градусах від 00 до 1600. Для фіксації маятника в вихідному верхньому положенні передбачена защіпка 6. На стояках 2 передбачені опори 7 для установки зразків при випробувань на ударний згин, а опори 8 – для випробувань на ударний розтяг.

При проведенні випробувань маятник 3 піднімають вгору і фіксують защіпкою 6. Стрілку 4 встановлюють на нуль, а в маятник 3 вкручують зразок 9. Потім, повернувши засувку 6, відпускають маятник 3, який при своєму падінні руйнує зразок, вдаряючись «тарілкою» 10 об опори 8. Рухаючись далі, маятник 3 перемістить стрілку 4 по шкалі 5, яка зафіксує кут підйому маятника після удару. Цей кут по спеціальних таблицях переводять в значення роботи руйнування зразка. Маятник після удару зупиняють спеціальним гумовим гальмом 11, натискаючи на рукоятку 12.

Зразки для випробувань на ударний розтяг виготовляють механічною обробкою зі стержнів циліндричної форми (рис. 1.10). При динамічних випробуваннях закон подібності не діє. Тому тут необхідна жорстка уніфікація розмірів зразків і умов проведення випробування.

Поверхня зразків повинна бути гладкою, рівною, без тріщин, сколів, здуття і раковин.

1.10.png

 

1.2. Прилади для вимірювання АБСОЛЮТНИХ

ЛІНІЙНИХ Деформацій

 

Для вимірювання абсолютних лінійних деформацій можуть використовуватися лінійки й мірні стрічки з ціною поділки 1 мм, які пройшли атестацію органів стандартизації.

Штангенциркуль ШЦ-1

Штангенциркуль застосовується для вимірювання зовнішніх і внутрішніх розмірів деталей, як глибиномір, а також для розмітки з точністю до 0,1 мм (рис. 1.11).

 

1.11.png

 

Штангенциркуль складається зі штанги 1 з міліметровими поділками лінійки, штанга закінчується двосторонньою губою 4 і 5. Верхні частини губок закінчуються вістрями для розмітки по металу. По штанзі переміщується рамка 2, на якій є спеціальна шкала – ноніус 3, нульовий штрих якої при зімкнутих губах збігається з нульовим штрихом лінійки на штанзі.

Для вимірювання зовнішніх розмірів деталь 8 розміщують між двох губок 4 і зводять їх без зазору і люфту. Для фіксації рухомої рамки 3 призначений гвинт 7. Цілі значення в міліметрах визначаються за положенням нульового штриха ноніусу. Дробові частки міліметра з точністю до 0,1 мм визначаються по штриху шкали – ноніусу 3, який збігається зі штрихом шкали лінійки на штанзі.

Для вимірювання внутрішніх розмірів губки 4 розміщують всередині деталі 8 і вони розводяться без зазору і люфту. Також за допомогою штангенциркуля можна вимірювати глибину, для цього в деталь 8 опускається глибиномір 6.

Стрілочний індикатор годинникового типу ИЧ-10

Цей нескладний в обігу і установці прилад, пристрій якого показано на рисунку 1.12, призначений для вимірювання лінійних абсолютних переміщень (як правило, прогинів балок, осадки опор і т.п.) з точністю до 0,01 мм. При вимірюваннях індикатор годинникового типу закріплюється у нерухомому стояку і наконечником 1 вимірювального стержня-рейки 2 спирається на поверхню, переміщення якої потрібно виміряти. До цієї поверхні штифт 2 постійно притискається пружиною 9. Переміщення стержня-рейки 2 за допомогою рейкової шестерні 8, а також шестерень 4, 6 і 10 викликає поворот великої 5 і малої 7 стрілок. Ціна поділки циферблата великої стрілки зазвичай 0, 01 мм (існують також індикатори годинникового типу, які мають ціну поділки великої стрілки 0,002 та 0,001 мм), а її повний оборот відповідає 1 мм. Число повних обертів великої стрілки фіксується малою стрілкою 7. Гільза 3 служить направляючою для вимірювального стержня-рейки 2, спіральна пружина 11 усуває зазори в зубчастих передачах.

1.12.png

 

Індикатор багатооборотний типу 1 МИГ

Індикатори багатооборотні призначені для лінійних вимірювань методом безпосередньої оцінки або методом порівняння з еталонною мірою. Ціна поділки шкали 0,001 мм, а діапазон вимірювань від 0 до 1мм. Вимірювальні головки бувають 0 і 1 класів точності.

Застосовуються багатооборотні вимірювальні головки спільно зі стояками і штативами та іншими пристосуваннями для вимірювальних головок та індикаторів у різних галузях машинобудування і приладобудування. Їх вважають найточнішими важільно-механічними вимірювальними пристроями.

При експлуатації необхідно додержуватися таких умов:

otstup.png температура навколишнього середовища (20 + 3) 0С;

otstup.png зміна температури не повинна перевищувати 100С за одну годину роботи;

otstup.png відносна вологість повітря (60+20) %.

Загальний вигляд індикатора наведено на рисунку 1.13.

1.13.png

Принцип роботи.  У цього індикатора механізм перетворення лінійного переміщення вимірювального стержня у кутове переміщення стрілки складається з важільних і зубчасто-пружинних механізмів (рис. 1.14).

Вісь механізму встановлена в корундових підшипниках. Вимірювальний стержень 2 виконаний з нержавіючої сталі і має аретируючій пристрій, переміщення якого перевищує межі вимірювання за шкалою. Вимірювання відбувається контактним методом за допомогою вимірювальної головки 1, яка кріпиться до стержня 2.

При переміщенні стержня 2 у направляючих втулках 3 важіль 10, повертаючись навколо своєї осі, впливає на важільно-зубчастий сектор 11, який входить у зачеплення із зубчастим колесом 13. Ткож із зубчастим колесом повязана стрілка 12, що з’єднана зі спіральною пружиною 14, яка обирає зазор. А пружина 15 створює вимірювальне зусилля. Голівка 7 кріпиться до стояка за рахунок втулки. Стрілка 12 показує на шкалі 8 переміщення вимірювального наконечника 1. Крайнє нижнє положення вимірювального стержня 2 обмежується гвинтом 4, розташованим поруч з направляючою втулкою 3 вимірювального стержня (гвинт повинен бути залитий нітрофарбою). При такому обертанні гвинта 4 установки механізму в нульове положення повинно викликати рух стрілки 12. Завдяки відсутності тертя в цій конструкції, досягається висока точність показань.

Механізм індикатора повинен бути розвантажений від вимірювального зусилля, що підвищує довговічність приладу. Розвантажена конструкція механізму дозволяє переміщати вимірювальний стержень 2 на величину не менше 2,5 мм, усуваючи небезпеку пошкодження механізму при випадкових ударах по наконечнику 1.

1.14.png

 

1.3. Прилади для вимірювання ВІДНОСНИХ

лінійних Деформацій

 

Прилади, призначені для вимірювання відносних лінійних деформацій, називаються тензометрами. У лабораторних дослідженнях можуть використовуватися тензометри: механічні, оптичні, електричні або іншої конструкції.

Важільно-стрілочний механічний тензометр Гугенбергера

Важільно-стрілочний механічний тензометр призначений для вимірювання малих лінійних деформацій, як правило, на відкритих поверхнях деталей з вільним доступом при статичному навантаженні. Загальний вид тензометра наведений на рисунку 1.15.

1.15.png

Кінематична схема тензометра наведена на рисунку 1.14. Тензометр притискається до випробуваного зразка 1 за допомогою струбцини двома опорними призмами, одна з них нерухома 8, а друга – рухома 2 і має ромбічну форму. Відстань між двома призмами є базою тензометра (зазвичай 20 мм, але за допомогою спеціальних подовжувачів база може бути збільшена до 30 або 100 мм). Під час деформації зразка відстань між призмами змінюється на величину Δℓ.

Принцип роботи (рис. 1.16).  Рухома призма 2, яка шарнірно кріпиться до основи і з’єднана з важелем 3, повертаючись відхиляє його. Важіль приладу 3 забезпечений фіксатором нейтрального положення і пов’язаний через коромисло 4 зі стрілкою вимірювача деформацій 5. На жорсткій підставці тензометра нанесена шкала 7.

1.16.png

Перед вимірюванням деформацій волокон матеріалу важіль 3 тензометра фіксується в нейтральному положенні, сам прилад за допомогою струбцини кріпиться на поверхні, що досліджується так, щоб призми 2 і 8 щільно були притиснуті до поверхні. Після установки тензометра важіль звільняється від фіксатора. При навантаженні зразка і деформації волокон матеріалу рухома призма 2 повертається, що викликає поворот важеля 3, відхилення якого через тягу 4 передається на стрілку 5, яка повертається навколо осі, закріпленої на рамці 6. Переміщення стрілки по шкалі 7 пропорційно зміні відстані між призмами, але значно більше, залежно від плечей важелів 3 і 4.

Шкала тензометра проградуйована в міліметрах. Точність вимірювання лінійних деформацій 0,001 мм.

Зміна довжини бази тензометра дорівнюватиме подовженню волокна матеріалу:

16.1.png,

де  С0 нульовий відлік за шкалою тензометра;

С1 відлік за шкалою після деформації зразка;

КА коефіцієнт збільшення приладу, залежить від співвідношення довжин важелів.

Коефіцієнт збільшення важільних тензометрів зазвичай становить 1000-1200. Значення коефіцієнта збільшення для кожного тензометра вказується в його паспорті.

Основи електротензометрії

Поряд з удосконаленням механічних і оптичних засобів вимірювань деформацій у даний час широко використовуються електричні тензометри. В електричних тензометрах розрізняють дві основні частини: датчик (перетворювач), за допомогою якого деформація деталі перетворюється в зміну будь-якої електричної величини (омічного опору, ємності, індуктивності), і вимірювальний (регіструючий) пристрій. Датчик встановлюється на досліджуваному об’єкті, а вимірювальний пристрій (прилад) розташовують зазвичай на деякому віддаленні і пов’язують з датчиком дротами.

Найбільш поширеним перетворювачем для вимірювання деформацій є дротяний датчик опору (тензорезистор). Принцип роботи тензорезистора заснований на зміні омічного опору дроту при його розтягуванні або стисканні.

Тензорезистор має решітку 1 (рис. 1.17), яка являє собою тонкий (діаметром 0,02-0,03 мм) дріт, покладений паралельними петлями. Кінці решітки припаюються до більш товстих дротів 4 і 5, які сполучаються з вимірювальним пристроєм. Довжина решітки 1 називається базою. Найбільшого поширення набули тензорезистори з базою від 3 до 40 мм. Решітка тензорезистора наклеюється на тонкий папір 3 спеціальним клеєм і покривається зверху таким же папером 2.

1.17.png

Тензорезистор кріпиться на досліджувану поверхню 6 (рис. 1.17) так, щоб база тензорезистора збігалася з напрямком, в якому потрібно виміряти деформацію об’єкта. Відомо, що відносна зміна опору тензорезистора ΔR / R пропорційна до його деформації і виражається залежністю:

17.1.png

де εх і εу – деформації тензорезистора в напрямку його поздовжньої і поперечної осей відповідно;

Sпозд і Sпоп коефіцієнти поздовжньої і поперечної чутливості тензорезистора.

Для дротяних тензорезисторів з базою l ≥ 5 мм величина коефіцієнта           Sпоп Sпозд, і для таких тензорезісторов можна прийняти:

17.2.png

де εх – деформація тензорезистора в напрямку його поздовжньої осі.

Коефіцієнт тензочутливості Sпозд визначається із досліду шляхом тарировки. Таким чином, визначення деформацій деталі за допомогою тензорезисторів зводиться до вимірювання зміни їх опору.

У практиці тензометрування найбільшого поширення набула мостова схема включення тензорезистора, яка дозволяє реєструвати досить малі зміни опору по відношенню до зміни величини струму у вимірювальній діагоналі моста.

Опір тензорезистора може змінюватися не тільки у зв’язку з деформацією зразка, викликаної механічними навантаженнями, але і через зміну температури. Для виключення впливу температури на показники вимірювального приладу застосовують температурну компенсацію (рис. 1.18). Вона здійснюється шляхом включення в якості опору R2 компенсаційного тензорезистора, який являє собою такий же тензорезистор, як і активний. Цей тензорезистор наклеюється на зразок з того ж матеріалу, що і дослідний об’єкт, і розташовується поруч з активним тензорезистором. Таким чином, температурні зміни опору компенсаційного і активного тензорезисторів будуть завжди однаковими, а так як ці тензорезистори включені в суміжні плечі вимірювального моста, то при однаковій зміні їхнього опору баланс моста не порушується.

1.18.png

Зміну опору активного тензорезистора можна визначити двома методами: методом безпосереднього вимірювання і нульовим методом. У методі безпосереднього вимірювання про зміну опору активного тензорезистора судять по зміні показань вимірювального пристрою (рис. 1.18). Цей метод може бути використаний як при статичних, так і при динамічних вимірюваннях деформацій.

Нульовий метод дозволяє вимірювати зміну опору активного тензорезистора з високою точністю, але так як він вимагає виконання операції балансування, його можна використовувати лише при проведенні статичних вимірювань.

Для вимірювання деформацій методом тензометрії випускаються спеціальні прилади, які називаються тензопідсилювачами, тензостанціямі або вимірювачами деформації. В лабораторії кафедри технічної механіки при проведенні робіт з курсу «Механіка матеріалів і конструкцій» застосовується вимірювач деформацій ИДЦ-1, який призначений для проведення багатоканальних вимірювань з використанням різноманітних типів датчиків і перетворення іх сигналів у цифрову форму.

 

Типовий комплект навчального обладнання  «Стенд універсальний для проведення лабораторних робіт з опору матеріалів СМУ»

Універсальний стенд призначений для проведення лабораторних робіт з курсу «Механіка матеріалів і конструкцій» у вищих навчальних закладах. Стенд забезпечує цілий цикл лабораторних робіт, що проводяться на спеціалізованих лабораторних столах.

Універсальний стенд (рис. 1.19) являє собою лабораторний стіл з набором функціональних елементів (зразків, допоміжних пристроїв, деталей та кріпильних елементів), що зберігаються у 4-х пеналах 12 і встановлюються на стіл при проведенні відповідної лабораторної роботи.

Стіл складається із звареного каркасу 1, для організації додаткових робочих місць для студентів він має на петлях дві відкидні столешниці 2 і 3. Кронштейни 6 столешниці в піднятому стані фіксуються відносно стола стенда фіксаторами 5. Стіл зовні обшитий плитами 4 із декоративним покриттям.  Праві дверцята стола 9 мають замок 8, ліві дверцята 7 – фіксуються фіксатором. Для зручноті використання каркас стола 1 та дверцята 7 і 9 мають спрямовувачі 12 по яким викочуються на роликах пенали 13 до упорів. Для закріплення наладок на столі є спеціальна пліта 10 із Т-образним пазом 11, на яку встановлюються опорні стояки і закріплюються болтовими зєднаннями.  При установці в лабораторії стенд виставляється за рівнем домкратом 14.

1.19.png

С бічної сторони стенд обладнаний панеллю 1 з розетками на 12В постійного струму і 220В змінного струму, частотою 50Гц (рис. 1.20). Розташування проводки  повинно бути передбачено під полом лабораторії.

Для виконання лабораторних робіт до розетки на 12В підключають  вилку жгута 2, другий кінець якої з’єднують з вимірювачем деформацій типу ИДЦ-1 поз. 3 (рис. 1.20). Вимірювач деформацій 3 встановлюють на вільній поверхні стола. До нього підключають вилку жгута 4, другий кінець якої з’єднують зі зразком 5.

1.20.png