Diagnostyka pojazdów szynowych - laboratorium -

Diagnostyka pojazdów szynowych - laboratorium - Tensometria elektrooporowa Katowice 2009 r KATEDRA TRANSPORTU SZYNOWEGO WYDZIAŁ TRANSPORTU POLITECHNIKA ŚLĄSKA W KATOWICACH Dr inż. Mańka Adam

Przebieg zajęć: 1. Miejsce tensometrii w diagnostyce pojazdów szynowych 2. Informacje ogólne dotyczące tensometrii elektrooporowej 3. Metodyka wykonania punktu pomiarowego 4. Wzorcowanie, pomiar i analiza uzyskanych wyników Kartkówka z zajęć (15 minut) Adam Mańka, adam.manka@polsl.pl, Katedra Transportu Szynowego, Politechnika Śląska, 3

Miejsce tensometrii elektrooporowej w badaniach i diagnostyce pojazdów szynowych Adam Mańka, adam.manka@polsl.pl, Katedra Transportu Szynowego, Politechnika Śląska, 4

Czujniki tensometryczne (tensometry, rozety tensometryczne umieszczone na głowicach pomiarowych), wykorzystuje się do pomiaru następujących wielkości fizycznych: bezpośrednio: -Naprężeń; - odkształceń; pośrednio: - siły, momentu skręcającego, ciśnienia, masy, natężenia przepływu, przyspieszenia; Adam Mańka, adam.manka@polsl.pl, Katedra Transportu Szynowego, Politechnika Śląska, 5

W transporcie szynowym czujniki tensometryczne, wykorzystuje się do: - Tensometria elektrooporowa - diagnostyki pokładowej: - Pomiar sił międzywagonowych, rozkład nacisków osi lokomotywy, pomiary ciśnienia, pomiar momentu skręcającego na wale silnika; diagnostyki utrzymaniowej: - Pomiar rozkładu sił kół wózka kolejowego, pomiar rozkładu nacisków kół w lokomotywie, pomiar nacisków klocków hamulcowych na koła, pomiar siły naprasowywania koła na oś, pomiar siły zamykania w rozjazdach kolejowych; badań doświadczalnych: - Badania odkształceń i naprężeń w elementach konstrukcji pojazdu oraz szyn; - Badania naprężeń własnych kół kolejowych, osi, łożysk, sprężyn śrubowych i piórowych; Adam Mańka, adam.manka@polsl.pl, Katedra Transportu Szynowego, Politechnika Śląska, 6

Katedra Transportu Szynowego Politechnika Śląska Diagnostyka Pojazdów Szynowych TENSAN Stanowisko do diagnostyki rozkładu nacisków kół i sztywności skrętnej pojazdów szynowych http://www.tens.pl/pl/oferta/kolej/detekcja/asdek.html Materiały szkoleniowe Katedry Transportu Szynowego, Politechniki Śląskiej 2014-12-05 (Powielanie, kopiowanie i cytowanie bez pisemnej zgody niedozwolone) Adam.Manka@PolSl.pl 7

Katedra Transportu Szynowego Politechnika Śląska Diagnostyka Pojazdów Szynowych Stanowisko diagnostyczne do badania rozkładu nacisków wózków wagonowych - STOLEM http://www.tens.pl/pl/oferta/kolej/detekcja/asdek.html Materiały szkoleniowe Katedry Transportu Szynowego, Politechniki Śląskiej 2014-12-05 (Powielanie, kopiowanie i cytowanie bez pisemnej zgody niedozwolone) Adam.Manka@PolSl.pl 8

System diagnostyki układów hamulcowych HADIAG przeprowadzenie badania układu hamulcowego wagonów; automatyczna ocena poprawności badanych parametrów; Katedra Transportu Szynowego Politechnika Śląska Diagnostyka Pojazdów Szynowych http://www.tens.pl Materiały szkoleniowe Katedry Transportu Szynowego, Politechniki Śląskiej 2014-12-05 (Powielanie, kopiowanie i cytowanie bez pisemnej zgody niedozwolone) Adam.Manka@PolSl.pl 9

Przykłady zastosowań tensometrii w transporcie [4]: Adam Mańka, adam.manka@polsl.pl, Katedra Transportu Szynowego, Politechnika Śląska, 10

Drgania Związek pomiędzy odkształceniami cyklicznymi a trwałością elementów mechanicznych log σ a Niszczące naprężenia dynamiczn e V S e Granica e zmęczeniowa materiału log ν Niszcząca prędkość drgań V S p S f =0,9 R m f Sf Vp ρe Kd Se Ve ρe Kd S e =0,5 R m σ m =0 10 3 10 6 σ - naprężenie Wytrzymałość trwała log n Ilość cykli do zniszczenia Uogólniony wykres Wölera dla stopów żelaza w kategoriach naprężenia niszczącego oraz odpowiadającej mu prędkości drgań R e - wyraźna granica plastyczności; R m - wytrzymałość na rozciąganie; R u - naprężenie rozrywające R e R m R u wydłużenie względne Ɛ % R e - wyraźna granica plastyczności; R m - wytrzymałość na rozciąganie; R u - naprężenie rozrywające

1. Informacje ogólne dotyczące tensometrii elektrooporowej Adam Mańka, adam.manka@polsl.pl, Katedra Transportu Szynowego, Politechnika Śląska, 16

Tensometria (łac. tensus -napięty, metreo -mierzę), metoda wyznaczania naprężeń na podstawie pomiaru odkształceń materiału badanej konstrukcji. Jest to metoda punktowa ze względu na wyznaczanie odkształceń tylko w punkcie przyłożenia tensometru. Tensometr (łac. tensio - naprężenie), przyrząd służacy do pomiaru (wbrew nazwie łac.) odkształceń. Adam Mańka, adam.manka@polsl.pl, Katedra Transportu Szynowego, Politechnika Śląska, 17

Rodzaje tensometrów: - tensometry mechaniczne: Huggenbergera, Martensa- Kennedy ego, strunowe; - tensometry optyczne: zwierciadłowy Martensa; - tensometry elektrooporowe: pojedyncze tensometry i rozety tensometryczne; Adam Mańka, adam.manka@polsl.pl, Katedra Transportu Szynowego, Politechnika Śląska, 18

Tensometry mechaniczne: Huggenbergera, Martensa- Kennedy ego, strunowe; Adam Mańka, adam.manka@polsl.pl, Katedra Transportu Szynowego, Politechnika Śląska, 19

Tensometry mechaniczne: Huggenbergera, Martensa- Kennedy ego, strunowe; Możliwość pomiaru nawet przy bardzo wysokich temperaturach >600 0 C, znaczne gabaryty, brak możliwości przesyłu wyników pomiaru, brak automatyzacji Tensometr elektroakustyczny (pojemnościowy) Adam Mańka, adam.manka@polsl.pl, Katedra Transportu Szynowego, Politechnika Śląska, 20

Tensometry mechaniczne: Huggenbergera, Martensa- Kennedy ego, strunowe; Możliwość pomiaru nawet przy bardzo wysokich temperaturach >600 0 C Adam Mańka, adam.manka@polsl.pl, Katedra Transportu Szynowego, Politechnika Śląska, 21

Tensometry optyczne: zwierciadłowy Martensa Adam Mańka, adam.manka@polsl.pl, Katedra Transportu Szynowego, Politechnika Śląska, 22

Tensometry optyczne: pomiar przemieszczeń punktu lustro promień lasera badana próbka dźwignia mechaniczna l 2 =18.19 [m] l 1 =0.12225[m] l 3 =20.72 [m] Schemat pomiaru rozszerzalności cieplnej ciał stałych z wykorzystaniem przełożenia optycznego KTS Adam Mańka, adam.manka@polsl.pl, Katedra Transportu Szynowego, Politechnika Śląska, 23

Tensometry optyczne: Baza pomiarowa badanej próbki Głowica pomiarowa Przetwornik i wzmacniacz Termopary typu K Płyta grzewcza Baza pomiarowa i mocowanie dalmierza laserowego Płyta granitowa Konwerter I/0 RS 232 Podstawa Schemat pomiaru rozszerzalności cieplnej materiałów próbek Adam Mańka, adam.manka@polsl.pl, Katedra Transportu Szynowego, Politechnika Śląska, 24

Tensometry elektrooporowe: Schemat działania tensometru elektrooporowego Adam Mańka, adam.manka@polsl.pl, Katedra Transportu Szynowego, Politechnika Śląska, 25

Tensometr drutowy wężykowy nakładka zabezpieczająca klej przenoszący odkształcenia drut oporowy podkładka izolująca wyprowadzenia do połączenia ε ΔL L σ E 1- ν P E A 0 1 0 1 ε 2 1 νε 2 σ E ΔR R k ε Adam Mańka, adam.manka@polsl.pl, Katedra Transportu Szynowego, Politechnika Śląska, 26

Tensometry elektrooporowe: pojedyncze tensometry i rozety tensometryczne: wężykowe, kratowe, zygzakowe, foliowe, półprzewodnikowe ø 0,02 0,05 [mm] Tensometr wężykowy Tensometr kratowy Adam Mańka, adam.manka@polsl.pl, Katedra Transportu Szynowego, Politechnika Śląska, 27

Tensometry elektrooporowe: pojedyncze tensometry i rozety tensometryczne: wężykowe, kratowe, zygzakowe, foliowe, półprzewodnikowe Tensometr foliowy Adam Mańka, adam.manka@polsl.pl, Katedra Transportu Szynowego, Politechnika Śląska, 28

Baza pomiarowa: jest podstawową cechą tensometru, długość pomiarowa L 0 do której odnosi się zmiana długości L 0 (wydłużenie bezwzględne) wywołanej odkształceniem badanego elementu; Odkształcenie (wydłużenie względne): średnie odkształcenie na długości bazy pomiarowej (dlatego w miejscach koncentracji naprężeń stosuje się tensometry o małej bazie pomiarowej 0.3 5 [mm]); Adam Mańka, adam.manka@polsl.pl, Katedra Transportu Szynowego, Politechnika Śląska, 29

Metodyka przygotowania pomiaru: - Przygotowanie badanej powierzchni usunięcie produktów korozjii, szlifowanie na sucho 400, szlifowanie na mokro 200, czyszczenie, odtłuszczanie; oznaczenie kierunku pomiaru; - Przygotowanie tensometru lub rozety; - Klejenie tensometru; - Lutowanie końcówek pomiarowych; - Nakładanie warstw zabezpieczających; - Podłączanie do przyrządu pomiarowego (np.: galwanometru) Film 1; Film 2; Film 3; (Strain gage) http://www.youtube.com/watch?v=ombqnznikvy&feature=related Adam Mańka, adam.manka@polsl.pl, Katedra Transportu Szynowego, Politechnika Śląska, 30

Tensometryczne czujniki siły: Pomiar siły pociągowej lokomotyw kolejowych czujnikiem CL 15K Pomiar sił w łącznikach napędu zwrotnic kolejowych czujnikiem CL 19 Adam Mańka, adam.manka@polsl.pl, Katedra Transportu Szynowego, Politechnika Śląska, 31

Tensometryczne czujniki siły: Karta produktu: http://zepwn.com.pl/_upload/products_files/karta_cl16u_200 8_10_08.pdf Adam Mańka, adam.manka@polsl.pl, Katedra Transportu Szynowego, Politechnika Śląska, 32

Czułość czujnika tensometrycznego: jest to minimalny sygnał na wyjściu przy obciążeniu znamionowym. Czułość dla czujników tensometrycznych podaje się najczęściej w [mv/v] Czułość: 2 [mv/v] oznacza, że na każdy 1 [V] zasilania sygnał wyjściowy będzie wynosił 2 [mv] Czułość czujnika : 2 [mv/v] oznacza, że na każdy 1 [V] zasilania sygnał wyjściowy będzie wynosił 2 [mv] czyli np. dla czujnika K300: - zakresie nominalnym 350 [N]; - napięcie zasilania 10 [V]; - sygnał wyjściowy dla obciążenia x [N] będzie wynosił: Adam Mańka, adam.manka@polsl.pl, Katedra Transportu Szynowego, Politechnika Śląska, 33

Czułość czujnika tensometrycznego: jest to minimalny sygnał na wyjściu przy obciążeniu znamionowym. Czułość dla czujników tensometrycznych podaje się najczęściej w [mv/v] Wartość na wyjściu (Wskazanie) [mv] Czułość czujnika Napięcie zasilania = pomiarowego [mv/v] [V] Wielkość mierzona [N] Nominalny zakres pomiarowy [N] Wielkość mierzona [N] = Wartość na wyjściu (Wskazanie) [mv] Czułość czujnika pomiarowego [mv/v] Nominalny zakres pomiarowy [N] Napięcie zasilania [V] Adam Mańka, adam.manka@polsl.pl, Katedra Transportu Szynowego, Politechnika Śląska, 34

Rozeta tensometryczna: układ co najmniej dwóch tensometrów umieszczonych blisko siebie na badanej powierzchni umożliwiający jednoczesny pomiar odkształceń w kilku kierunkach; y y 2 π/2 π α 2 2 Rozeta prostokątna 0 π/2 Rozeta skrzyżowana prostokątna 2 π α 2 2 σ 0 E 1- ν x 1 ε0 ε 1 επ/2 ε2 ε σ ε 1 2 1 νε 2 E 1- ν 2 2 2 νε1 α 1 0 α 1 0 Ten typ rozet stosuje się tylko gdy znamy kierunki osi głównych Adam Mańka, adam.manka@polsl.pl, Katedra Transportu Szynowego, Politechnika Śląska, 35 0 1 x

Rozety tensometryczne - gdy nie są znane kierunki osi głównych y y 3 α 3 π 2 2 α 2 π 4 5π α 3 4 π 2 α 2 2 π/2 π/2 0 Rozeta prostokątna złożona 1 α 1 0 x 3 0 Rozeta gwiazdowa symetryczna 1 α 1 0 x σ ε0 ε 1 επ/2 ε2 E 1- ν ε σ ε 1 2 1 νε 2 E 1- ν 2 2 2 νε1 Gdy nie są znane kierunki osi głównych Adam Mańka, adam.manka@polsl.pl, Katedra Transportu Szynowego, Politechnika Śląska, 36

Rozety tensometryczne - gdy nie są znane kierunki osi głównych y 2 2 3 α 2 π 3 0 1 Rozeta typu delta 2π α 3 3 α 1 0 x σ ε0 ε 1 ε π/2 ε2 E 1- ν ε σ ε 1 2 1 νε2 E 1- ν 2 2 2 νε1 Gdy nie są znane kierunki osi głównych Adam Mańka, adam.manka@polsl.pl, Katedra Transportu Szynowego, Politechnika Śląska, 37

Mostek pomiarowy: 0, R 0, L 0 Mostki niezrównoważone Układ mostkowy Mostek Wheatstone'a Warunek równowagi S m (k) - czułość mostka R R x 2 R R 3 4 Adam Mańka, adam.manka@polsl.pl, Katedra Transportu Szynowego, Politechnika Śląska, 38

Mostek pomiarowy: 0, R 0, L 0 R R x 2 R R 3 4 Na podstawie prawa Kirchoffa dla oczek I-III można napisać: Oczko I Oczko II Oczko III Węzeł C Węzeł A Węzeł B Węzeł D Adam Mańka, adam.manka@polsl.pl, Katedra Transportu Szynowego, Politechnika Śląska, 39

Układy pomiarowe [4]: 0, R 0, L 0 Obwód zewnętrzny (czujnik) Obwód wewnętrzny (urządz. pom.) Czułość względna (1), niewielka nieliniowość charakterystyki, kompensacja temperaturowa Pełny mostek tensometryczny Czułość (0, 5), niewielka nieliniowość charakterystyki, kompensacja temperaturowa Pół mostka tensometrycznego Mała czułość (0,25), nieliniowość charakterystyki Ćwierć mostka tensometrycznego Adam Mańka, adam.manka@polsl.pl, Katedra Transportu Szynowego, Politechnika Śląska, 40

Przykłady zastosowań tensometrii w transporcie [4]: Pomiar momentu skręcającego Pomiar siły Pomiar ciśnienia Pomiar natężenia przepływu Pomiar przemieszczeń lub przyspieszeń Adam Mańka, adam.manka@polsl.pl, Katedra Transportu Szynowego, Politechnika Śląska, 41

Przykłady zastosowań [5]: Adam Mańka, adam.manka@polsl.pl, Katedra Transportu Szynowego, Politechnika Śląska, 42

Przykłady zastosowań [4]: Adam Mańka, adam.manka@polsl.pl, Katedra Transportu Szynowego, Politechnika Śląska, 43

Przykłady analizy [4]: Adam Mańka, adam.manka@polsl.pl, Katedra Transportu Szynowego, Politechnika Śląska, 44

Przykłady zastosowań tensometrii [4]: Adam Mańka, adam.manka@polsl.pl, Katedra Transportu Szynowego, Politechnika Śląska, 45

Pomiar rozkładu sił Tekscan Nacisk do 175 Mpa zastosowania kolejowe; http://www.tekscan.com/ http://www.tekscan.com/industrial.html Adam Mańka, adam.manka@polsl.pl, Katedra Transportu Szynowego, Politechnika Śląska, 47

Bibliografia - www.imc.pcz.czest.pl/imtits/pliki_misp/c-08.pdf; - www.hbm.com s1256.pdf; - http://pl.wikipedia.org/wiki/tensometr Adam Mańka, adam.manka@polsl.pl, Katedra Transportu Szynowego, Politechnika Śląska, 48