Стенд для статических испытаний на кручение

(Для обеспечения необходимой устойчивости в этих случаях применяют чувствительные элементы другой формы, например в виде клетки, стержни которой работают на изгиб). Односторонне расположение подшипников снижает погрешности от трения. Для вентиляции и охлаждении служит вентилятор. Тензорезисторы соединены с неподвижным корпусом при помощи контактных колец и съемных щеток. Необходимые для измерения мощности параметры скорости и направления вращения могут быть также получены бесконтактным способом. Преобразователи (датчики) крутящего момента с бесконтактной передачей сигналовнаиболее эффективны для непрерывного контроля, так как они работают практически без износа и без обслуживания. Примером такого преобразователя является преобразователь момента, представленный на рисунке 4.

5. Этот преобразователь работает совместно с фотодатчиком ДФ-1, в проеме которого размещаются диски 3 и 4, образующие при увеличении момента увеличивающиеся по ширине щели и, как следствие, формирующие при своем вращении в проеме неподвижного фотодатчика последовательности увеличивающихся по длительности импульсов. Рисунок 4.5 Датчик крутящего момента с бесконтактной передачи данных.

На схеме обозначены: 1, 2 — полумуфты левая и правая; 3, 4 левый и правый диски с выступами, 5 — упругие элементы (пружины). Этот преобразователь крутящего момента содержит полумуфты 1 и 2, неподвижно закрепленные на полумуфтах диски 3 и 4 с радиальными прорезями, упругие элементы 5 (в данном примере — пружины сжатия), размещенные между выступами-кулачками полумуфт. Диски 3 и 4 имеют возможность поворачиваться один относительно другого, и в исходном их положении радиальные прорези одного диска перекрыты выступами другого, т. е. эти диски не образуют радиальных щелей. Полумуфты 1 и 2 расположены в непосредственной близости одна от другой так, что закрепленные на полумуфтах диски с радиальными прорезями могут быть размещены в проеме одного и того же фотодатчика. Здесь торсионный вал упразднен и заменен упруго деформируемыми элементами, связывающими полумуфты в окружном направлении. Следовательно, рассматриваемый преобразователь фактически представляет собой упругую муфту, позволяющую помимо своей основной функции вести измерение передаваемого момента. Работает преобразователь крутящего момента следующим образом. При вращении вала, на котором измеряется момент, вращаются диски 3 и 4, размещенные в проеме фотодатчика 8 или 9. Если момент на валу отсутствует, то диски 3 и 4 перекрывают световой пучок фотодатчика, и на выходе этого фотодатчика сигнал отсутствует. С появлением крутящего момента пружины 5 деформируются, полумуфты 1 и 2 поворачиваются на некоторый угол одна относительно другой, получают угловое смещение диски 3 и 4, в результате чего образуются радиальные щели, и при перемещении дисков в проеме фотодатчика последний генерирует импульсы, длительность которых пропорциональна ширине радиальных щелей, образованных дисками 3 и 4, а следовательно величине момента. При увеличении момента на валу ширина радиальных щелей, образованных дисками 3 и 4, увеличивается, а потому увеличивается длительность генерируемых фотодатчиком импульсов. Таким образом, углы относительного поворота полумуфт 1 и 2, пропорциональные крутящему моменту, преобразуются в электрические сигналы преобразователя, которые регистрируются, и по их значениям определяются соответствующие величины измеряемых моментов.

2) Индуктивные преобразователи (датчики) крутящего момента. Индуктивные преобразователи (датчики) крутящего момента принципиально могут быть применены в тех же областях, что и тензорезисторные преобразователи. Однако они отличаются повышенной чувствительностью: диапазон измерений находится в пределах от 0 — 0,1 Н· см до 0 — 100 кН· м. Основным элементом индуктивных преобразователей (датчиков) крутящего момента является торсионный стержень, закручивание которого воспринимается индуктивным преобразователем. При этом либо втяжной якорь перемещается в катушках, что вызывает разбаланс мостовой схемы, либо катушки в трансформаторной схеме перемещаются одна относительно другой. В обоих случаях на выходе системы обмоток появляется напряжение, пропорциональное закручиванию стержня, а следовательно, и крутящему моменту. Так как индуктивные преобразователи (датчики) крутящего момента должны работать на несущей частоте, то и в данном случае имеется возможность бесконтактного подвода и регистрации напряжения.

3) Струнные преобразователи (датчики) крутящего момента. Метод измерения, положенный в основу струнного тензометра, может быть использован и для измерения крутящих моментов. Струнные преобразователи (датчики) крутящего момента выпускают серийно для установки на валах диаметром от 50 до 750 мм. В зависимости от производственных условий это примерно соответствует диапазонам измерения крутящих моментов от 0 — 100 Н· м до 0 — 5 МН· м. Максимальная частота вращения составляет 1500 об/мин для валов малого диаметра и снижается максимум до 150 об/мин для валов большого диаметра. Класс точности самого измерительного устройства 0,5 — 1%. Если статическая юстировка невозможна, то отклонения от положенных в основу расчетных данных могут привести к дополнительной погрешности. Струнные преобразователи крутящего момента состоят из двух колец, закрепляемых на валу на заданном расстоянии одно от другого, и двух натянутых между ними ферромагнитных проволок — струны. При нагружении вала кольца хотя и незначительно, но пропорционально приложенному крутящему моменту скручиваются одно относительного другого. В результате механическое напряжение, а следовательно, и частота одной из струн повышается, а другой — понижается. Изменение частоты колебания струны, вызванное нагружением вала, служит мерой приложенного к нему крутящего момента.

3) Пьезоэлектрические преобразователи (датчики) крутящего момента. Пьезоэлектрический эффект используется для измерения крутящего момента только применительно к измерительной платформе. Реагирующие на сдвиг кварцевые пластинки, установлены по кольцу и их оси, направлены по касательным. Отдельные кварцевые пластинки электрически и механически соединены между собой параллельно; полный заряд соответствует воздействующему на них крутящему моменту. Применение его в основном такое же, как в пьезоэлектрических динамометрах. При разработке стенда для испытаний на кручение и изгиб мы предлагаем использовать датчик крутящего момента модели GYE-T22A (рисунок 4.6).Основные характеристики данного датчика:

Чувстивительность1.

0 ~ 2.0 мВНелинейность±0. 1Гистерезис±0. 5% F. SДиапазон рабочих температур -35 + 80 °CПитание — 12 В постоянного тока.

Частотная характеристика100μsВходное сопротивление700±10 /350±10 ОмВыходное сопротивление 700±5 /350±5 ОмБезопасная перегрузка120% FSМатериал — Легированная сталь. Рисунок 4.6Датчик крутящего момента модели GYE-T22A 5 Проектирование установки для испытаний при объемном напряженном состоянии5.

1 Предлагаемая конструкция установки.

В результате проведенного патентного анализ и выбора датчиков, нами предложен стенд для проведения испытаний на кручение и изгиб (рисунок 5.1).Рисунок 5.1 Схема предлагаемой установки:

1 — захват; 2 — измеритель угловой деформации; 3 — траверса; 4 — корпус подшипников; 5 — втулка; 6 — основание; 7 — рама; 8 — грузы; 9 — подвес; 10 — шайба; 11 — ось; 12 -датчик крутящего момента; 13 — мотор-редуктор; 14 — генератор. Разработанная установка предназначена для испытания образцов на усталостную прочность при одновременном действии крутящего и изгибающего моментов. На основании 6 при помощи шпилек установлена рама 7. На раме шарнирно крепятся корпуса подшипников 4. На данные корпуса через втулку 5 и подшипники опирается испытуемый образец. Для создания крутящего момента служит мотор-редуктор 13, движение от которого передается на генератор 14. Таким образом, генератор выступает как нагружатель крутящим моментом. Величина крутящего момента фиксируется датчиком 12, а угловая деформация образца — измерителем угловых деформаций 2 .Для создания изгибающего момента используется пакте грузов 8, меняя число которых можно изменять величину изгибающего момента. Схема нагружения образца изгибающим моментом яса из рисунка 5.

2.Рисунок 5.2 Схема нагружения образца изгибающим моментом.

5.2 Анализ видов и последствий возможных отказов.

Анализ функций узла формирования изгибающего момента. Главная функция: передача нагрузки от груза на испытуемый образец. Функции деталей узла приведены в таблице 5.

1.Таблица 5.1 Анализ функций узла измерения поперечной деформации.

ОбозначениеФункциональныеэлементы (детали)Функция (подфункция)Обеспечива-емая функция1Траверса1.

1Восприятие нагрузки от грузах2Ось2.

1Передача усилия от траверсы на корпус подшипниках3Подшипник3.

1 Передача усилия от корпуса на втулку3.

2 Обеспечение свободного вращения образцах-4Втулка4.

1Передача нагрузки на образец4.

2 Обеспечение взаимной ориентации образца и подшипникх-Таблица 5.2 Матрица отбора элементов узла измерения статического усилия по критериям применения№ п/пКритерии применения.

Детали10 203 041.

Потенциальная угроза33 932.

Высокие затраты при отказе11 913.

Функционально важная деталь13 914.

Взаимозависимые детали13 915.

Показатель приоритета абсолютный6 103 666.

Показатель приоритета относительный0,10,130,60,17Производится анализ FMEAдадададаFMEA анализ приведен в приложении.

5.3 Расчет траверсы.

Траверса под действием нагрузки работает на изгиб. Рассмотрим следующую схему (рисунок 5.3).Рисунок 5.3 К расчету траверсы.

Момент инерции опасного сечения траверсы:

Момент сопротивления сечения:

Тогда максимальные изгибные напряжения:

Допустимые напряжения для Сталь 45 ГОСТ 1050–89:σadm=0,6σт=0,6∙355=213МПа.где σт=355 МПа — предел текучести [3]. Таким образом, условие прочности по напряжениям растяжения соблюдается.

5.4 Расчет погрешности определения величины угловой деформации.

Относительная погрешностьопределения величины угловой деформации вычисляется по формуле:

где δS — погрешность измерения величины деформации; - погрешность измерения размеров образца;

Принимаем следующее: измерение линейных величин проводят штангенциркулем, абсолютная погрешность которого составляет 0,05 мм, а погрешность индикатора часового типа — 0,001 мм. Тогда: δL =0,05/25=0,002δS =0,001/0,5=0,002Тогда.

Т.е., погрешность определения величины угловой деформации оценивается в 0,4%.

5.6 Расчет размерной цепи.

Определяются увеличивающие и уменьшающие звенья. Составляется уравнение размерной цепи. Аj-номинальный размер j-ого составляющего звена размерной цепиξjпередаточное отношение, характеризующее влияние составляющего звена на исходное. А1 = 117 мм.

А3= 150,5 мм.

А2 = 41,5ммA= A1() + A2(+) + A3 (-) A117+ 41,5 -150,5=8мм.

Рисунок 5.4 Схема к расчету размерной цепи.

Определяется приближенное значение единицы допускаi1=1.17i2=0.4i3=1.51Σi=1,17+0.4+1.51=3Число единиц допуска находится по формуле:

где [ТΣ]-допуск, мкм.

По значению α с использованием таблицы выбирается ближайший квалитет N = 8A1 = 117 мм.

Т1 = 54мкмA2 = 41,5 мм.

Т2 = 39мкмA3 = 150,5 мм Т3 = 63мкмT= 54+39−63=30мкмT≤ [T] условие выполняется 30 200мкм.

Таблица 5.1 Результаты расчетаj№звена.

ПередаточноеОтношение, Номинальный размер, мм№квалитета.

ДопускТj, мкм.

ВерхнееотклонениеНижнееотклонение1+1 117 654+0,5 402+141,5639+0,3 903−1150,5663+0,6 305.

7 Разработка технологического процесса изготовления втулки.

Для изготовления детали «Втулка» необходимо выполнение следующих технологических операций:

1. Операция: токарная.

Оборудование: токарно-винторезной станок 16К20-Точить наружнуюповерхность на Ø25k6;

— Снять фаски 0,6×45º;

— Расточить внутреннюю поверхность на размер Ø16Н73 Слесарная.

Нарезать внутреннюю резьбу М4.4. Термическая:

калить и отпустить до 45…50 HRC5. Контрольная:

проверить соответствие размеров и твердости детали чертежу.

Заключение

.

В данной работе быларазработана установка для испытаний на кручение и изгиб, охарактеризован метод подобных испытаний, описана конструкция установки, выбранаего конструктивная схема. По данномуоборудованию определены индексы МПК и проведен патентный анализ в базе данных Федерального института промышленной собственности (ФИПС Роспатента). Это в свою очередь позволило определить конструктивные недостатки известных стендов, выбрать прототип. Так же был проведен анализ видов и последствий возможных отказов по методу FailureModeandEffectsAnalysis (FMEA) узла передачи нагрузки. Далее, был разработан сборочный чертеж предлагаемой установки, рабочие чертежи некоторых его деталей. Также была рассмотрена размерная цепь и определен размер замыкающего звена механической части стенда. Проведен проверочный расчет траверсы. На основе сказанного выше, можно сделать вывод о том, что поставленная цель -разработка установки для испытаний на кручение и изгиб, достигнута путем решения поставленных задач. Список использованной литературы1 Испытательная техника.

Спавочик в двух книгах. Книга 1./Под ред. В. В. Клюева — М.: Машиностроение, 1982 — 582с.

2Информационно-поисковая система. ФГБУ ФИПС./ Электронныыф ресурс. Режим доступпа:

http://www1.fips.ru/wps/wcm/connect/content_ru/ru/inform_resources/inform_retrieval_system/ Дата доступа: (14.

12.2015).

3 Материалы и сортаменты для Компас/ Электронный ресурс. ООО Аскон, 2014. 4 Мехеда В. А. Тензометрический метод измерения деформаций: учеб. пособие / В. А. Мехеда. — Самара: Изд-во Самар. гос. аэрокосм. ун-та,.

2011. — 56. с. 5Дарков А. В. Шпиро Г. С. Сопротивление материалов. М.: Высшая школа, 1989.

— 624 с.6Феодосьев.

В.И. Сопротивление материалов: Учебник для студ-ов высш.

техн.учеб.

зав. — 10-е изд., перераб. и доп.. М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2008. — 558 с. 7 Приборы и системы для измерения вибрации, шума и удара.

Справочник в 2 книга. / Под ред. д.т.н, проф.

В.В.Клюева-М.: Машиностроение, 1978. — 1 кн. — 448с., 2 кн. — 439с.

8 Испытательная техника. В 2 кн. Кн.2: справочник / А. С.

Больших, [и др.]; Ред. В. В. Клюев. — М. :

Машиностроение, 1982. — 560 с. 9 Браславский Д. А., Петров В. Точность измерительных устройств — М., Машиностроение, 1976.

10 Измерения в промышленности: Справочник. В 3-хкн./ Пол ред. П. Профоса — М.: Металлургия, 1999.