ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 4

Измерение усилий в процессах обработки металлов давлением с помощью индуктивных месдоз.

Цель работы. Знакомство с устройством, принципом работы и методикой тарировки индуктивной месдозы типа ЦР-3 и её применением для измерения усилий при осадке цилиндрической заготовки.

2.Материалы, инструмент, оборудование.

1. Испытательный пресс ИП-500 (500 кН).
2. Индуктивная месдоза ЦР-3.
3. Переносной измерительный пульт типа ПД-2.
4. Устройства силовой тарировки гидравлического оборудования.
5. Заготовка (?30?40 мм).
6. Плоские плиты для осадки заготовки.

Общие сведения.

Индуктивная месдоза состоит из двух функциональных единиц: упругого элемента (чаще всего это корпус месдозы) и индуктивного датчика перемещений, регистрирующего упругие (линейные) деформации этого элемента в заданном диапазоне сил (0…250 кН, 0…500 кН и т.п.). Диапазон измеряемых сил зависит от материала, характера термической обработки, формы и геометрических параметров упругого элемента месдозы.

Принцип действия индуктивного датчика основан на изменении индуктивного сопротивления катушек (или катушки) датчика при изменении положения якоря между ними (или в ней).

В зависимости от параметров, подвергающихся изменению под действием деформации, индуктивные датчики можно подразделить на три вида: с поперечным расположением якоря (переменным зазором в магнитопроводе), с продольным расположением якоря (изменением объёма сердечника в катушке) и с переменной магнитной проницаемостью (магнитоупругие).

Рассматриваемая месдоза (см. рис. 4.1) относится к индуктивным тензометрам с поперечным расположением якоря и предназначена для измерения сжимающих усилий.
Месдоза состоит из стального герметично закрытого корпуса 2 (рис.4.1), имеющего форму стакана, деформации которого под действием сжимающей силы регистрируются индуктивным датчиком.

Прочность и пылевая герметичность конструкции корпуса месдозы достигается установкой двух элементов: пяты 13 и крышки 1 через медное уплотнительное кольцо 30. Пята 13 крепится к корпусу 2 двумя винтами через резьбовую заглушку 17 регулировочного блока и фиксируется контрвинтом 14.
Индуктивный датчик месдозы состоит из верхней и нижней обмоток (26 и 10), расположенных на изоляционных катушках, в воздушном зазоре которых перемещается якорь 25.

Датчик заключён в корпус, состоящий из фланцевой оправки 28, двух резьбовых стаканов 4 и 22, соединённых между собой резьбовой втулкой 24 с резьбовым контр-кольцом 23 и включает в себя две мембраны 11 и 27, поджатые через фигурные шайбы (3 и 21) резьбовым кольцом 29 и крышкой 20, соответственно.

Рисунок 4.1 - Устройство индуктивной месдозы типа ЦР-3.

Пята 13 и подпятник 15 служат для передачи и равномерного распределения нагрузки в случае непараллельности сжимающих плоскостей оборудования. Указанный перекос не должен превышать 2о. В случае гарантированного обеспечения параллельности сжимающих плоских поверхностей, допускается применение месдозы без пяты, подпятника и заглушки 17.
Концы обоих катушек индуктивности (10 и 26) припаиваются к клеммам четырёх изоляционных втулок 8, установленных в корпусе месдозы 2.
Постоянный зазор между обмотками 10 и 26 обеспечивается находящимся между катушками кольцом 9, изготовленным из диэлектрического материала.

При изменении положения якоря датчика изменяется полное электрическое сопротивление обмоток индуктивного преобразователя. Движение якоря в месдозе принудительное и осуществляется от упруго деформации корпуса месдозы. Взаимное перемещение якоря 25 относительно обмоток 10 и 26 осуществляется посредством того, что обмотки жёстко закреплены относительно верхнего торца корпуса 2 месдозы через детали корпуса датчика (4, 22 и 28), а якорь жёстко закреплён относительно нижнего торца корпуса 2 месдозы через шток 6 и блок регулировочных элементов (12, 16, 18 и 19). Поэтому изменение высоты корпуса 2 месдозы под действием внешней нагрузки вызывает смещение якоря 25 относительно обмоток 10 и 26. Начальное (нулевое) положение якоря между обмотками устанавливается резьбовыми элементами регулировочного блока: винтом 16, двухсторонней резьбовой втулкой 19 и резьбовым кольцом 18.

Электрическая часть данного индуктивного тензометра состоит из индуктивного датчика (месдозы типа ЦР-3), включённого в схему (цепь) переносного измерительного пульта типа ПД-2 (рис. 4.2).

Рисунок 4.2 - Электрическая схема измерительного пульта ПД-2 с подключённой к нему месдозой ЦР-3.

Индуктивный датчик включается в схему переменного тока индуктивного плеча измерительного моста. Отсчёт действующего усилия производится по измерительному прибору, который включён в диагональ моста или по величине отклонения луча гальванометра в случае регистрации кратковременных процессов. В последнем случае гальванометр подключается к клеммам гальванической развязки ГР.

В качестве стандартного измерительного прибора используется миллиамперметр с током полного отклонения стрелки равным 5 мА. Шкала прибора изготовлена безымянной и рассчитана на 100 делений.

В корпусе измерительного пульта смонтированы (рис. 4.2): трансформатор Т1 для питания схемы индуктивных датчиков; два плеча измерительного моста, выпрямительный мост; измерительный прибор. Питание установки производится от сети переменного тока напряжением 220 вольт частотой 50 Гц. Колебание напряжения питающей сети в пределах 10% приводит к ошибке в показаниях не более 2%.

Катушки индуктивного датчика L1 и L2 (поз. 10 и 26 на рис. 4.1) включены в одно плечо мостовой схемы и питаются переменным током напряжением 10 вольт и частотой 50 Гц (см. рис. 4.2). Во второе плечо измерительного моста включены постоянные резисторы R1 и R2. Переменный резистор R3 позволяет в небольших пределах изменять диапазон измерения.

Конденсаторы С1 и С2, а также дроссели D1-D4 сглаживают пульсации напряжения, подаваемого на гальванометр осциллографа. Диоды VD1-VD4 составляют выпрямительный мост и служат для выпрямления переменного тока на выходе измерительного моста индуктивной месдозы ЦР-3.

На переднюю панель пульта управления выведены: тумблер «сеть» S1; сигнальная лампа «сеть» Н1; ручка переменного резистора R4 установки «нуля» и две клеммы ГР с тумблером S2 для переключения индикации процесса нагружения на гальванометр светолучевого осциллографа.

Порядок проведения работы.

1. Тарировка индуктивной месдозы.
Тарировка индуктивной месдозы производится на испытательном прессе ИП-500. Месдоза помещается между двумя плоскими плитами испытательного пресса. Перекос плит оборудования не должен превышать 2°. Не допускается также эксцентричное приложение нагрузки.

При повышенных требованиях к точности тарировки месдоз (для исключения влияния сил трения промежуточных механизмов оборудования на показания силовых индикаторов) рекомендуется устанавливать датчики устройств эталонной силовой индикации непосредственно – последовательно с тарируемой месдозой (тарировка «по кондуктору»).
Скорость нагружения месдозы на испытательном прессе устанавливается минимальной.

Тарировка индуктивной месдозы производится при нагружении и разгрузке ступенями равной величины, в зависимости от предельной величины нагружения месдозы. При максимальной силе нагружения РЦР-3 max = 250 кН. (25 тс.) ступень нагружения составляет ΔР=50 кН.
Результаты измерений (число делений индикатора пульта для всех точек эксперимента) снимаются не менее трёх раз и заносятся в таблицу 1.

Таблица 1.

Для упрощения процедуры обработки данных, по результатам трёх измере-ний одноимённых точек каждого измерения определяется их среднее значение. По усреднённым данным строится функция D_ср. = f (Р_факт.).

Полученная функция графически аппроксимируется линейными графиками (не менее 7), один из которых принимается тарировочным. Критерием выбора тарировочного графика может служить, например, метод наименьших квадратов (оценочный формулировка метода):

где P_ф – фактическое значение измеряемой величины (кН.);
          P_а – значение измеряемой величины, соответствующее аппроксимирующему графику (кН.);
          i = 1…n –число точек экспериментальной функции.

Математическая формулировка метода наименьших квадратов, учитывая линейный характер рассматриваемой функции, позволяет определить уравнение оптимальной аппроксимирующей функции (D = a·P+b) (тарировочного графика), решая систему уравнений следующего вида:

где P_i и D_i– значение величины усилия эталонного (фактического [кН.]) и определяемого по измерительному прибору пульта месдозы (в делениях).

2. Измерение усилий при осадке цилиндрического образца.

Осадка цилиндрической заготовки осуществляется на гидравлическом прессе без устройств индикации значений усилий. Для фиксации значений абсолютной деформации заготовки (Δh) в ходе эксперимента используется индикатор перемещений на магнитной стойке. Регистрация относительных значений потребных усилий процесса осадки осуществляется в табл. 2 по показаниям индикатора прибора ПД-2, соединённого с месдозой ЦР-3 соединительным кабелем. С помощью тарировочного графика, производится перевод усилий в относительном виде (D_i) к абсолютным значениям (P_i). Данные заносятся в таблицу 2.

Таблица 2.

По полученным данным построить график P = f (ΣΔh).

3. Сделать выводы по работе.

Содержание отчёта.
    Отчет о выполнении работы должен включать в себя:

1. Название работы.
2. Цель работы.
3. Краткие сведения об устройстве и принципе действия индуктивной месдозы ЦР-3 и измерительного пульта ПД-2.
4. Эскиз устройства месдозы и электрическую схему измерительного пульта ПД-2 с подключённой к нему месдозой ЦР-3.
5. Методику проведения тарировки месдозы.
6. Рациональный или оптимальный тарировочный график.
7. Выводы по работе.

Контрольные вопросы.

1. От чего в конструкции месдозы и технологии изготовления её элементов зависит диапазон возможных измеряемых сил?
2. Какой принцип положен в основу работы индуктивного датчика месдозы?
3. Какие виды индуктивных датчиков месдоз известны и в чём их принципиальное отличие?
4. Каково назначение клемм с индексом «ГР» на панели пульта ПД-2?
5. В чём заключается принцип тарировки месдозы «по кондуктору» и в каких случаях он используется?
6. В чём принципиальное отличие в получении тарировочного графика по оценочной и математической формулировке метода наименьших квадратов?
7. В чём причина несовпадения тарировочных кривых нагрузки и разгрузки индуктивной месдозы при её установке на испытательном прессе ИП-500?
8. Какой из элементов индуктивной месдозы превращает датчик перемещений в датчик регистрации сил и почему? Поясните ответ, используя рис. 4.1.
9. Может ли в качестве упругого элемента индуктивной месдозы выступать пружина, и почему такая конструкция не применяется в процессах ОМД?
10. Каково функциональное назначение элементов принципиальной электрической схемы (рис. 4.2)?