POLITECHNIKA ŚLĄSKA WYDZIAŁ TRANSPORTU KATEDRA TRANSPORTU SZYNOWEGO LABORATORIUM DIAGNOSTYKI POJAZDÓW SZYNOWYCH ĆWICZENIE 11 Pomiar przemieszczeń i prędkości liniowych i kątowych Katowice, 2009.10.01
1. CEL ĆWICZENIA Celem ćwiczenia laboratoryjnego jest nabycie umiejętności diagnostyki stanu maszyn poprzez pomiar odkształceń jego elementów oraz umiejętności poprawnego przygotowania procesu pomiaru przemieszczeń liniowych i kątowych. W trakcie ćwiczenia laboratoryjnego przedstawione zostaną również metody automatyzacji pomiarów i ich analizy w diagnostyce maszyn. Celem ćwiczenia jest również wykonanie szeregu pomiarów przemieszczeń liniowych i kątowych układu mechanicznego poddawanego obciążeniom mechanicznym oraz wzorcowanie czujnika przemieszczeń liniowych i kątowych. 2. PODSTAWY TEORETYCZNE ĆWICZENIA Wszelkie maszyny i urządzenia mechaniczne zbudowane są z materiałów odkształcalnych, których współczynniki sztywności i sprężystości są zależne od spełnianych funkcji. Elementy maszyn i urządzeń szczególnie odpowiedzialnych konstrukcyjnie, projektuje się zakładając takie wartości współczynników sztywności i sprężystości, aby zapewnić im wymaganą trwałość i bezpieczeństwo pracy. Dlatego też pomiar przemieszczeń można podzielić na pomiar przemieszczeń liniowych i kątowych oraz odkształceń czyli przemieszczeń poszczególnych punktów ciała względem siebie. Przy pomiarze przemieszczeń i odkształceń ciał stałych wykorzystuje się różne zjawiska fizyczne i elektryczne. Najczęściej spotykane są: - indukcyjne przetworniki transformatorowe, - czujniki pojemnościowe, - czujniki optyczne (laserowe), - czujniki tensometryczne, - czujniki piezoelektryczne. W układach pomiarowych służących do pomiaru wielkości nieelektrycznych, stosuje się przetworniki służące do zamiany tych wielkości na wielkości elektryczne. Rozróżnia się dwa podstawowe rodzaje przetworników: I. Przetworniki generacyjne II. Przetworniki parametryczne Przetworniki generacyjne są przetwornikami aktywnymi i przetwarzają bezpośrednio sygnał wejściowy na sygnał wyjściowy, a energię wejściową na energię elektryczną. Najczęściej czujniki te nie muszą być zasilane z osobnego źródła, a zasilany jest jedynie wzmacniacz pomiarowy. Wykorzystuje się w nich zjawiska: - indukcji elektromagnetycznej, - termoelektryczne, - magnetoelektryczne, - magnetostrykcyjne, - fotoelektryczne, - prądów wirowych, - elektrochemiczne i inne. Przetworniki parametryczne zwane pasywnymi, w których sygnał wejściowy powoduje zmianę jakiegoś parametru przetwornika np.: rezystancji, impedancji, pojemności, częstotliwości itp., a dostarczana z zewnątrz energia przekształca te zmiany na odpowiednie wartości prądu czy napięcia. 2
Do pomiarów niewielkich przemieszczeń (odkształceń) wykorzystuje się czujniki: - optoelektroniczne, których przykładowy zakres pracy wynosić 0±50 [mm] przy dokładności 5 [µm] i zasilaniu +5 [V] ±5% prądem 120 [ma]. Czujnik przesyła sygnał wyjściowy w protokole RS422, lub TTL, Rys. 1. Optoelektroniczne czujniki liniowo - impulsowe - potencjometryczne liniowe, których przykładowy zakres pomiarowy wynosi 0 30 [mm] przy dokładności ±0,5 [mm], średnia żywotność 10 mln. przemieszczeń, zakresy tych czujników sięgają 2000 [mm], czujniki te nie nadają się do pracy w warunkach drgań i silnych przyspieszeń, Rys. 2. Potencjometryczne czujniki liniowe i kątowe - indukcyjne, których przykładowy zakres pomiarowy wynosi ± 100 [mm], przy dokładności większej od 1 [%], pomiar bezstykowy, Rys. 3. Indukcyjne czujniki liniowe 3
- tensometryczne, które pozwalają na pomiar sił i na tej podstawie pozwalają często określić odkształcenie, podstawy budowy czujnika tensometrycznego pokazano na rysunku 4, czujniki te należy wzorcować, 1. 2. 3. 4. Rys. 4. Budowa typowego foliowego czujnika tensometrycznego: 1 folia nośna z warstwą polimerową, 2 warstwa klejąca - dystans, 3 folia z elektrodami, 4 przekrój czujnika - magnetyczne, często wykorzystywane jako czujniki zbliżeniowe, - magnetostrykcyjne, - pojemnościowe, - przetworniki impulsowe. Rys. 5. Typowe czujniki zbliżeniowe W przypadku projektowania ściśle określonego układu pomiarowego, należy przeanalizować możliwości dostępnych na rynku czujników. Producenci czujników podają 4
pełną specyfikację tych urządzeń. Przykład takiej specyfikacji pokazany jest na rysunku 6, dla czujnika optoelektrycznego służącego do pomiarów przemieszczeń kątowych. Rys. 6. Przykład specyfikacji czujnika optoelektronicznego do pomiaru przemieszczeń kątowych Rys. 7. Inklinometr UV-2HF-SW2 5
Jako przemieszczenie kątowe może być też mierzenie odchylenia od pionu. Czujnik do pomiaru takiej wielkości nazywany jest często inklinometrem. Przykład takiego czujnika bazującego na efekcie Halla pokazuje rysunek 7. 3. STANOWISKO LABORATORYJNE Stanowisko laboratoryjne wyposażone jest w układ mechaniczny składający się z pręta o przekroju kołowym, który z jednej strony jest sztywno utwierdzony, a z drugiej strony jest obciążany momentem wynikającym z masy umieszczonej na ramieniu. Obciążenie to wywołuje skręcanie pręta i przemieszczenia kątowe płaszczyzny pomiarowej. W trakcie laboratorium wyznaczane będzie przemieszczenie kątowe w zależności od przyłożonego obciążenia. Przemieszczenie to będzie mierzone kilkoma metodami pomiarowymi, tak aby umożliwić wywzorcowanie czujnika tensometrycznego, optoelektronicznego i magnetostrykcyjnego. Pręt φ10 poddawany skręcaniu poprzez zadawane obciążenie i pomiar kata skręcenia Układ pomiarowy Regulacja momentu skręcającego Rys. 8. Schemat stanowiska pomiarowego do pomiaru przemieszczeń kątowych 4. PRZEBIEG ĆWICZENIA LABORATORYJNEGO W celu wykonania wzorcowania układu pomiarowego opartego na sześciu czujnikach tensometrycznych należy przeprowadzić szereg pomiarów przy różnych obciążeniach (różnych wartościach momentu skręcającego) wzorcując czujniki tensometryczny poprzez wartości otrzymane z czujników przemieszczeń kątowych oraz unikatowego systemu optoelektrycznego wykorzystującego odbicie promienia laserowego. Oznaczenia użyte w tabeli pomiarowej: - punkty pomiarowe liczone są od lewej strony 1 6, - T tensometr, - L system laserowy, - C czujnik przemieszczeń kątowych ADXL. 6
Lp 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 Tablica 1 Zestawienie pomiarów przemieszczeń kątowych w kilku punktach pomiarowych i wzorcowania tensometrów (wartości wskazań T [µv], L [mm], [V]) Punkt Punkt Punkt Punkt Punkt Punkt pomiarowy 1 pomiarowy 2 pomiarowy 3 pomiarowy 4 pomiarowy 5 pomiarowy 6 T L C T L C T L C T L C T L C T L C Tablica 2 Zestawienie pomiarów przemieszczeń kątowych w kilku punktach pomiarowych po wywzorcowaniu i przeliczeniu wskazań czujników na wartości kąta skręcenia [ 0 ] Punkt Punkt Punkt Punkt Punkt Punkt Lp pomiarowy 1 pomiarowy 2 pomiarowy 3 pomiarowy 4 pomiarowy 5 pomiarowy 6 T L C T L C T L C T L C T L C T L C 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 Data:........., grupa dziekańska:..., sekcja:.... Podpis prowadzącego ćwiczenie laboratoryjne:.... 7
5. ZAKRES SPRAWOZDANIA Sprawozdanie powinno zawierać: 1. Wstęp teoretyczny. 2. Opis metodyki pomiarowej i przebiegu procesu pomiarowego wykonywanego w trakcie laboratorium. 3. Podpisane przez prowadzącego tablice pomiarowe z otrzymanymi w trakcie zajęć wynikami pomiarów. 4. Prezentację graficzną otrzymanych wyników. 5. Wnioski i spostrzeżenia dotyczące wykonanego ćwiczenia laboratoryjnego. 6. LITERATURA 1. W. Jakubiec, J. Malinowski: Metrologia wielkości geometrycznych. Warszawa: WNT, 1999. 2. B. Żółtowski: Podstawy diagnostyki maszyn. Bydgoszcz: Wydawnictwo Uczelniane Akademi Techniczno Rolniczej w Bydgoszczy, 1996. 3. J. Podemski, R. Marczewski, Z. Majchrzak: Zestawy kołowe i maźnice. Warszawa: Wydawnictwa Komunikacji i Łączności, 1978. 4. PN-57/MPM-07588-Tabor kolejowy. Montaż zestawów kołowych, warunki techniczne. 5. PN-61/R-91045-Tabor kolejowy. Zestawy kołowe wagonów, wymagania i badaniatechniczne. 6. PN-58/R-91042-Tabor kolejowy. Lokomotywy i tendry. Obręcze nieobrobione do zestawów kołowych, warunki techniczne. 7. PN-53/K-91031-Tabor kolejowy. Wagony i tendry. Koła bose obrobione do zestawów kołowych. 8. PN-53/R-9103-Tabor kolejowy. Pierścienie zaciskowe do zestawów kołowych. 9. BN-67/3511-06-Zestawy kołowe do łożysk ślizgowych. 10. PN-70/R-91049-Zestawy kołowe obręczowane do łożysk tocznych 11. BN-69/3541-12-Zestawy kołowe bezobręczowe z czopami osi o φ 120 mm. 8