2. Приборы и инструменты

При выполнении лабораторных работ студентам приходится определять различные параметры лабораторных устройств в рабочем и нерабочем состояниях. В нерабочем состоянии - линейные, угловые параметры, объем материалов, силу тяжести элементов. При работе исследуемых механизмов замеряется время, скорость потока воздуха, действующее усилие, напряжение и ток в электрической цепи, потребляемая из электрической сети мощность. Основное требование к измерительным приборам и инструментам при проведении лабораторных работ - простота, надежность, достаточная точность и наглядность получаемых результатов. В лаборатории наряду с промышленными приборами можно использовать много измерительных приспособлений, изготовленных или модернизированных студентами в течение учебного процесса.

Инструменты для измерения линейных размеров (линейки, рулетки) не требуют особых руководств по пользованию. Погрешность измерения инструментальной линейкой составляет ± 0,5 мм, рулеткой со стальной лентой ± 1, 0 мм. Такая точность достигается только при непосредственном соприкосновении линейки или рулетки с измеряемой поверхностью. Для более точного измерения линейных размеров деталей используют инструменты с нониусной шкалой (штангенциркуль или микрометр).

Штангенциркуль (рис. 39) имеет базовую линейку 1 с основной шкалой и подвижную линейку 2 со шкалой нониуса. Цена деления Ц_о основной шкалы штангенциркуля может быть 1 мм или 0,5 мм; цена деления Ц_н нониусной шкалы – 0,1 мм или 0,05 мм. Для определения размера губки линеек должны плотно охватывать обмеряемую поверхность. Подвижная линейка при этом должна быть плотно зафиксирована винтом 3. Величину размера Р определяют по формуле

Р = Ц_о К₁ + Ц_н К₂ ,

где К₁ – число целых делений основной шкалы; К₂ – порядковый номер штриха нониуса, совпадающего со штрихом основной шкалы. Точность измерения штангенциркулем при Ц_н = 0,1 мм может иметь предельную погрешность 150 мк; при Ц_н = 0,05 мм – может составить 80 мк. Таким образом, размер детали на рис. 38 будет равен 1,8 ± 0,15 мм.

Рис. 38. Штангенциркуль с точностью измерений 0,1 мм

На рис. 39 показан штангенциркуль с точностью измерений 0,02 мм. Такая точность достигается за счет применения индикатора с круговым лимбом и зубчатой микропередачей. Отчет целых значений измеряемой величины ведется по линейной шкале, а десятых и сотых долей – по круговой шкале. В подобных измерительных устройствах на точность измерений существенно влияет усилие прижатия губок к измеряемой поверхности.

Рис. 39. Штангенциркуль с точностью измерений 0,02 мм

Микрометр (рис. 40) состоит из корпуса 1 в виде скобы с пяткой 2 и трубчатым хвостовиком 3. На внутренней поверхности хвостовика нарезана резьба. На внешней поверхности хвостовика вдоль образующей цилиндрической поверхности нанесена двурядная шкала с миллиметровой разметкой. Верхний ряд делений смещен относительно нижнего на 0,5 мм. Внутри хвостовика проходит микровинт 4, который соединен зажимом 5 с измерительным барабанчиком 6. На измерительный барабанчик по окружности нанесена шкала, у которой цена деления при шаге микровинта 0,5 мм составляет 0,01 мм.

Рис. 40. Микрометр с диапазоном измерений 75 – 100 мм

З

Рис. 41. Шкалы микрометра

ажим 5 имеет динамометрическую головку 7 с пружиной 8 и штифтами 9. При измерениях микровинт подводят к измеряемой поверхности вращением за головку 7 до тех пор, пока головка не начнет проскальзывать, что сопровождается шумом трещот-ки. После этого производят снятие показаний (рис. 41). Е сли край измерительного барабанчика 6 находится после риски нижней шкалы, то определяемый размер в миллиметрах будет равен числу делений нижней шкалы плюс десятые и сотые доли миллиметра, указанные по окружности измерительного барабанчика и совпадающие с осью шкалы на хвостовике.

Если край измерительного барабанчика располагается после риски на верхней шкале, то определяемый размер в миллиметрах будет равен числу делений нижней шкалы плюс 0,5 мм и плюс десятые и сотые доли миллиметра по шкале на окружности измерительного барабанчика и совпадающие с осью шкалы на хвостовике. Так, показания микрометра по рис. 41 составляют 6,39 мм. Измерительное перемещение микровинта обычно составляет 25 мм. Микрометры для измерения больших величин настраивают с помощью установочной меры 10. В этом случае к размеру на шкале прибавляется длина установочной меры.

Погрешность измерений микрометром деталей размером 0 ÷ 25 мм составляет ± 3 мкм, с размером 75 ÷ 100 мм - 10 мкм.

Измерение небольших перемещений или деформаций элементов механизмов (до 10 мм) осуществляют с помощью индикаторов часового типа.

Рис. 42. Общий вид индикатора часового типа

Индикатор (рис. 42) имеет две круговые шкалы со стрелками. Малая шкала имеет цену деления 1 мм, у большой шкалы – цена деления 0,01мм. Один оборот большой стрелки соответствует перемещению штока на 1 мм. Стрелки перемещаются измерительным штоком с помощью реечно-зубчатой подпружиненной передачи. Для удобной работы шкала индикатора может быть установлена поворотом внешнего кольца для отсчета от 0 при любом положении стрелки. Погрешность на всем диапазоне измерений не более 22 мк.

Контроль горизонтальности поверхностей в лабораторных условиях осуществляется с помощью уровней пузырькового типа, показанных на рис. 43. Уровень (рис. 43, а) позволяет контролировать горизонтальность поверхности относительно одной оси. Горизонтальность поверхности соответствует симметричному расположению пузырька относительно контрольных линий. Горизонтальность контролируемой поверхности по двум взаимно перпендикулярным направлениям соответствует концентричному положению воздушного пузырька с обозначенными окружностями (рис. 43, б).

Рис. 43. Общий вид уровней пузырькового типа:

а – для одноосного контроля горизонтальности;

б – для контроля горизонтальности по взаимно перпендикулярным осям

Измерение углов между элементами конструкции производят транспортиром с непосредственным отсчетом по нанесенной на нем шкале или угломером (рис. 44). Погрешность измерений при этом составляет ± 0,5° при радиусе шкалы 100 мм .

Рис. 44. Угломер параллелограммный

Для измерения углов наклона поверхностей относительно горизонта производят угломерами с нониусной шкалой. На рис. 45 показан угломер с погрешность измерений ±15'. Такой угломер имеет основную шкалу 1. Линия нулевых отметок этой шкалы параллельна измерительной поверхности 4. Нониусная шкала 2 может быть повернута внутри основной шкалы. Индикатор горизонтальности 3 пузырькового типа закреплен на нониусной шкале.

Рис. 45. Угломер для измерения углов наклона поверхностей к горизонту

Для измерений угломер устанавливают поверхностью 4 на измеряемую поверхность. Нониусную шкалу поворачивают так, чтобы пузырек индикатора занял симметричное положение относительно рисок на индикаторе. Число градусов кратное 3 отсчитывают по основной шкале. Дополнительное число градусов с минутами кратными 15' отсчитывается на нониусной шкале по риски, точно совпадающей с какой-либо риской основной шкалы в диапазоне 0 - 90°.

Регистрация времени в лабораторных работах необходима при определении скорости перемещения машин или их элементов, при определении производительности машин или длительности составляющих цикла. Для периодического контроля промежуточных значений параметров исследуемых процессов при записи на бумажный или магнитный носитель используют отметчики времени.

Рис. 46. Секундомеры с ручным (слева) и электрическим (справа) управлением

Секундомеры с ручным включением используют при регистрации времени длительно текущих процессов, в которых погрешность 0,5 – 1 с не имеет существенного значения. При регистрации скоротечных процессов длительностью до 20 с используют электрические секундомеры с точностью отсчета времени ± 0,1 с (рис. 46). Секундомеры питаются переменным током от сети 220 вольт. Присоединение их к цепи управления лабораторной установкой позволяет осуществлять автоматический пуск и остановку секундомеров одновременно с пуском и остановкой механизма, что обеспечивает достаточно точный контроль времени процесса.

Отметчики времени, применяемые в лаборатории ГПМ, состоят из электродвигателя постоянного или переменного тока со стабилизированной скоростью вращения ротора, редуктора и расположенных на валах редуктора кулачков. При вращении валов кулачки периодически замыкают контактные группы цепей питания светоимпульсных устройств, делающих отметки на носителе с записью регистрируемого процесса. Периодичность отметок на носителе может быть задана от 0,1 секунды до нескольких секунд в зависимости от характера регистрируемого процесса. Общий вид такого отметчика в комплекте со светолучевым осциллографом показан на рис. 50.

Измерение сил при выполнении лабораторных работ необходимо для определения величины сжимающих усилий захватов, для определения величины тормозных моментов, величины опорных реакций ходовых рам, при определении действующих усилий в канатах и в других случаях. В лабораторных условиях это осуществляется различными приборами и устройствами.

Д инамометры (рис. 47) позволяют проводить прямое измерение действующих усилий. Для этого используются динамометры типа ДПУ-0,01-2 с пределом измеряемых усилий до 0,1кН, ДПУ-0,1-2 с пределом измерений до 1,0 кН, ДПУ-0,5-2 с пределом измерений до 5,0 кН.

Рис. 47. Общий вид кольцевого динамометра

Динамометр состоит из упругого кольца 1, которое помещено в корпус 2 и жестко связано с ним специальным болтом 3 с серьгой 4. Другая серьга 5 через отверстие в корпусе крепится специальным болтом непосредственно к упругому кольцу. Серьги соединяются с болтами с помощью сферических шарниров. Динамометр работает по принципу определения силы по величине упругой деформации кольца 1. Деформация преобразуется рычажным передаточным механизмом в показания указателя 6 на шкале 7. С помощью проушин динамометр присоединяют к элементам, между которыми действуют растягивающие их

усилия. Предел допускаемого значения вариации показаний от наибольшего предела измерений не более 2 %. Установка шкалы указателя на нулевой отсчет производят корректором 8.

Грузы известной массы позволяют задавать величину действующего усилия силой тяжести. Подбором грузов, обеспечивающих равновеликое воздействие на механизм неизвестного усилия, определяют величину действующего усилия. Пределы измеряемых усилий обеспечиваются широтой набора величин грузов в диапазоне 0,1 ÷ 300 Н.

Тензометрические устройства весьма разнообразны по конструкции. В лаборатории тензометрические устройства используются в виде упругих консольных балочек или упругих скоб, которые тарированы по зависимости упругой деформации от величины действующей силы. Для измерения деформации балочек применяют индикаторы часового типа. Цену деления индикатора в ньютонах для каждого тензометрического устройства определяют опытным путем. На ранее приведенных рисунках показаны лабораторные тензометры для измерения опорных усилий ходовой рамы в лабораторном стенде «стреловой кран» (рис. 11); измерения усилия в тяговом канате кабельного крана (рис. 10); измерения усилия в канате грузоподъемной лебедки (рис. 29).

Приборы для измерения электрических величин в лабораторных установках используются для определения потребляемой мощности механизмами из электрической сети.

Прибор К–50 (рис. 48) предназначен для измерения силы тока, напряжения и мощности в однофазных и трехфазных цепях переменного тока при равномерной и неравномерной нагрузке фаз. Прибор представляет собой переносной блок стрелочных приборов (амперметр, вольтметр, ваттметр) и ручки переключателей тока, напряжения и фаз, смонтированных на внешней стороне панели из изоляционного материала. На панели также установлены клеммы для входных А, Б, С «ГЕН» (присоединяемых к источнику тока) и выходных линий фаз (для присоединения изучаемого механизма «НАГР»). На тыльной стороне панели установлены сами переключатели, тороидальный трансформатор тока, добавочные сопротивления к стрелочным приборам. Панель со смонтированными на ней элементами схемы встроена в металлический корпус. Прибор может работать в электрических цепях с номинальным напряжением 150, 300, 450, 600 В. Погрешность в показаниях приборов комплекта не более 5 % от конечного значения рабочей части шкалы.

Амперметры и вольтметры стрелочные (рис. 28) постоянного тока типа М265М используются для определения потребляемой мощности стендами с двигателями постоянного тока. Для повышения точности отсчета в этих приборах используется зеркальная шкала. Погрешность показаний приборов 1 % от конечного значения рабочей шкалы прибора. Вольтметры должны быть включены параллельно в цепи питания электродвигателей. Амперметры в цепь питания включают последовательно.

Рис. 48. Общий вид переносного измерительного комплекта К-50

Контроль скорости воздушного потока (скорости ветра) при работе грузоподъемных кранов с высотой подъема груза более 15 м является обязательным. Для этого используются анемометры различной конструкции.

Анемометр цифровой типа АСЦ-Р (рис. 49) используется в лабораторной работе для определения влияния скорости воздушного потока на э лементы металлоконструкций различной конфигурации. Анемометр позволяет дискретно выводить на цифровой дисплей скорость воздушного потока в диапазоне 1,6 до 25 м/с с шагом индикации 0,1 м/с. Питание анемометра автономное от двух гальванических элементов типа 373.

А

Рис. 49. Общий вид

цифрового анемометра

немометр состоит из цилиндрического корпуса, вала с крыльчаткой, окошка индикации, выключателя, установленного на торце корпуса. Внутри корпуса расположен датчик скорости вращения крыльчатки, микропроцессор, цифровой дисплей, отсек для размещения гальванических элементов.

При измерениях вал крыльчатки располагают перпендикулярно вектору скорости воздушного потока. После включения анемометра через 1 минуту можно считывать показания прибора на дисплее.

Приборы для регистрации быстро изменяющихся параметров физических процессов особенно необходимы при изучении процессов пуска и торможения механизмов. Возникающие в эти периоды силы инерции создают дополнительные нагрузки на элементы машин, которые должны быть учтены при расчете их на прочность.

Светолучевой осциллограф представляет собой универсальный регистрирующий прибор магнитоэлектрической системы с оптической записью на фотоленте исследуемых параметров, поступающих с датчиков в виде электрических величин. Каждая электрическая величина, несущая в себе функциональную зависимость измеряемой величины, преобразуется чувствительными элементами прибора (гальванометрами и оптической системой прибора) в пропорциональную ординату записи на фотоленте. Движение фотоленты в регистрирующем устройстве позволяет развертывать измеряемые величины во времени. Учет времени осуществляется путем нанесения отметок на фотоленту гелевой лампой, которая посылает через оптическую систему световые импульсы с заданной частотой по сигналу электроконтактных часов.

Принцип действия гальванометра основан на взаимодействии электрического тока, проходящего по рамке гальванометра, с магнитным полем постоянного магнита. Световой поток от осветителей направляется системой зеркал на зеркальный отражатель, жестко связанный с рамкой гальванометра. Отразившись от последнего на дополнительные зеркала оптической системы, световой поток с помощью цилиндрической линзы концентрируется на фотоленте в форме светящейся точки в плоскости прохождения светового потока. Это позволяет производить на движущейся фотоленте запись в виде ординат, изменяющихся во времени в зависимости от измеряемой величины.

На рис. 50 показан комплект для одновременной регистрации 12-и текущих параметров с помощью осциллографа К12-22.

Рис. 50. Общий вид комплекта приборов со светолучевым осциллографом, блоком

балансировки датчиков, выносным пультом управления, отметчиком времени