W Y B R A N E P R O B L E M Y I N Y N I E R S K I E PROJEKT SIŁOMIERZA Z ZASTOSOWANIEM TENSOMETRII OPOROWEJ

Transkrypt

1 W Y B R A N E P R O B L E M Y I NY N I E R S K I E Z E S Z Y T Y N A U K O W E I N S T Y T U T U A U T O M A T Y Z A C J I P R O C E S Ó W T E C H N O L O G I C Z N Y C H I Z I N T E G R O W A N Y C H S Y S T E M Ó W W Y T W A R Z A N I A PROJEKT SIŁOMIERZA Z ZASTOSOWANIEM TENSOMETRII OPOROWEJ Tomasz Molski 1, Andrzej Baier 2 Wydział Mechaniczny Technologiczny, Politechnika lska, ul. Konarskiego 18A Gliwice. 1 tommol@o2.pl, 2 andrzej.baier@polsl.pl Streszczenie: W artykule przedstawiono model stanowiska z siłomierzem. Pokazano ogóln konstrukcj siłomierza, metod archiwizacji danych oraz przeprowadzono pomiary z zastosowaniem tensometrii elektrooporowej. Kolejno wykonano niezbdne obliczenia i sprawdzono ich poprawno, wykorzystujc analiz MES w programie Unigraphics NX7. 1. Wstp Siłomierz, dynamometr - przyrzd do pomiaru siły; mechaniczny (np. sprynowy, dwigniowy, hydrauliczny), elektromechaniczny (tensometryczny, indukcyjny), elektryczny (np. piezoelektryczny) [1]. W ramach pracy wykonano funkcjonalny model siłomierza z zastosowaniem tensometrii oporowej oraz wykazano, e zaprojektowany siłomierz spełnia załoenia projektowe. Asumptem do podjcia pracy była potrzeba identyfikacji napre w badanych próbkach kompozytów. Zaprojektowano stanowisko badawcze przedstawione na rys. 1. Stanowisko złoono z: ramy (1), badanej próbki (2), siłomierza (3), siłownika (4), pompy (5). Rys. 1. Stanowisko badawcze

2 MOLSKI T., BAIER A. 2. Projekt siłomierza Na rys. 2 przedstawiono ogóln budow siłomierza z zastosowaniem pełnego mostka Wheatstone a (rys.3). Zaprojektowany siłomierz składa si z: tarczy opartej o badan powierzchni (1); czci roboczej siłomierza (2); tensometru kompensujcego wpływ temperatury (3); tensometru czynnego (4); obcianego koca siłomierza (5) [2]. Rys. 2. Ogólna posta siłomierza z pełnym mostkiem Wheatstone'a Rys.3. Pełny mostek Wheastone'a Pełny mostek Wheastone a tworz cztery tensometry (3) i (4) oraz dwa na przeciwległym boku (6) [3]. W zakresie prac zwizanych z projektem wykonano: niezbdne obliczenia wytrzymałociowe w odniesieniu do doboru przekroju siłomierza (rys.2, płaszczyzna A2) oraz rzeczywisty model i pomiary. Przed przystpieniem do oblicze zgromadzono informacje dotyczce: wymiarów tensometru, przedziału wydłuenia wzgldnego, w którym działa tensometr, rodzaju materiału, z którego bdzie wykonany rdze siłomierza oraz sposobu jego zamocowania. Wane jest take okrelenie, w jakim przedziale mierzonych sił bdzie pracował siłomierz. Rys. 4. Wymiary przyjte do oblicze Rys. 5. Mocowanie siłomierza Na rys. 5 przedstawiono siłomierz (2), zamocowany pomidzy siodłem siłownika (3) a płask powierzchni próbki materiału (1). W dolnej czci umieszczono piercie, którego rednica wewntrzna jest dopasowana do rednicy siodła siłownika. Górna cz to tarcza, której zadaniem jest zwikszenie powierzchni przylegania siłomierza do badanej próbki.

3 PROJEKT SIŁOMIERZA Z ZASTOSOWANIEM TENSOMETRII OPOROWEJ Załoeniem, odnonie czci pomiarowej, była moliwo naklejenia tensometrów w formie pełnego mostka. Kolejno wykonano obliczenia przekroju czci roboczej siłomierza. W tym celu zebrano niezbdne do oblicze dane (tab.1). Tab. 1. Dane do oblicze Nazwa Oznaczenie Warto Siła F [N] Wydłuenie wzgldne 1000 [m/m] Grubo dolnej tarczy l [m] Długo czci roboczej l [m] Grubo górnej tarczy l [m] Pole przekroju dolnej tarczy A * 10-3 [m 2 ] Pole przekroju górnej tarczy A 3 2,543* 10-4 [m 2 ] Moduł Younga E 210*10 9 [Pa] Uwzgldniajc zaleno na wydłuenie wzgldne, obliczono całkowite wydłuenie prta [4]: gdzie: l - suma l 1, l 2 i l 3 [m], l wydłuenie rzeczywiste [m], Na całej długoci siłomierza wystpuj róne pola przekrojów poprzecznych. W zwizku z tym siłomierz rozpatrzono jako prt o zmiennym przekroju. Podziału dokonano w trzech miejscach, gdzie zmienia si pole przekroju lub zmienia si liczba działajcych sił [4]. Zapisano osobne warunki równowagi oraz zalenoci na wydłuenie rzeczywiste kadego z fragmentów prta. Ze wzgldu na to, e na siłomierz działa tylko jedna siła F, kolejne warunki bd podobne [4]. (1) (2) Przedział 1 Przedział 2 Przedział 3, (3) (4), (5) (6), (7) (8)

4 MOLSKI T., BAIER A. Rys. 6. Podział prta o zmiennym przekroju Rys. 7. Kocowa posta siłomierza Całkowite wydłuenie prta jest sum poszczególnych składowych wydłue, przekształcon w taki sposób, aby uzyska pole przekroju czci roboczej siłomierza A 2 [4]. Po przekształceniu:, (9) W opisywanym przypadku po podstawieniu danych, przedstawionych w tabeli 1, otrzymano wymagane pole przekroju czci roboczej siłomierza dopasowane do załoonej wartoci siły: Wymagana szeroko powierzchni, na któr naklejono tensometry wynosi 12mm. Dowiadczalnie przyjto wymiar drugiego boku o długoci 13mm, co daje pole 156mm 2. Poniewa wymagane pole przekroju poprzecznego to 106,40mm 2, nadmiar pola przekroju zredukowano przez wykonanie nagwintowanego otworu. Pozwoli to na ewentualne zamontowanie innych kocówek do siłomierza. W tym przypadku rónica załoonego pola przekroju prta oraz obliczonej wartoci wynosi 49,60mm 2. Jest to warto zbliona do pola przekroju ruby M8 (50,240mm 2 ). W efekcie otrzymano gotowe wymiary siłomierza. Cało wykonano z litego kawałka materiału. W celu weryfikacji oblicze utworzono model siłomierza w programie UGS NX 7 (rys. 7). Model ten, przy uyciu narzdzi modułu Advenced Simulation, obciono zakładan sił 25 kn i poddano analizie metod elementów skoczonych (rys. 8). Górn cz (1) sztywno utwierdzono, za doln (3) obciono sił. Wane jest połoenie tensometru (2), poniewa w tym miejscu spodziewamy si zakładanego przemieszczenia (2.8x10-5 mm). (10) (11) (12)

5 PROJEKT SIŁOMIERZA Z ZASTOSOWANIEM TENSOMETRII OPOROWEJ Rys. 8. Sposób obcienia siłomierza Rys. 9. Wyniki analizy MES Na rys. 9 przedstawiono wyniki analizy MES dla zakładanego wydłuenia siłomierza. wiadczy to o poprawnoci wykonanych oblicze. Literatura 1. Kryszewski W., Marcinkowski R.: Encyklopedia powszechna PWN. Warszawa Styburski W.: Przetworniki tensometryczne: konstrukcja, projektowanie, uytkowanie. Warszawa: WNT, Roliski Z.: Tensometria oporowa: podstawy teoretyczne i przykłady zastosowa, Warszawa: WNT, Kurowski R., Niezgodziski M.: Wytrzymało materiałów, Warszawa: PWN, THE FORCE TRANSDUCER DESIGN WITH STRAIN GAUGES METHOD APPLICATION Summary: The article describes approach to design of force transducer. Its general form, the method of data archiving were introduced. Moreover, measurements with strain gauges method were introduced. The necessary calculations were performed and verified by FEM analysis in Unigraphics NX7 program.

6