книги из ГПНТБ / Тепловые процессы при обработке металлов и сплавов давлением учеб. пособие для студентов металлург. спец. вузов

круглого сечения, фиксирующим щетки от бокового аксиального смещения, и из щетки 2, приваренной или впрессованной в метал­ лическую плоскую пружину. Эта пружина укреплена на рычаге 4, насаженном на опорный валик 3. На противоположном плече укреп­ лен плоский грузик 5. При многоточечном измерении на валу уста-

Рис. 5.19. Скользящие токосъемники со щетками рычажного типа:

а — с нажимными грузами; б — с подвесными грузами

навливают необходимое количество колец, а на опорный валик на­ низывают такое же количество рычагов со щетками и нажимными грузиками. В нерабочем состоянии или при осмотре щетки и кольца рычажок со щеткой откидывают поворотом вокруг опорного вали­ ка 3.

При кольцах диаметром 14,5 мм, изготовленных из латуни, и щетках из серебро-графита в условиях удельной силы нажатия щетки на кольцо 0,15 Мн/м2 (1,5 кГ/см2) и непрерывного продува­ ния сжатым воздухом токосъемник удовлетворительно работает до скорости 25 м/сек. При этом контактная термо-э. д. с. не превышает 50 мв, что по градуировке хромель-алюмелевой термопары дает по­ грешность 0,8° С.

210

Устройство токосъемника с подвесными грузами удачно решено в схеме, показанной на рис. 5.19, б. Кольцо ) скользит по щетке 2, изготовленной из проволочек диаметром 0,2 мм, собранных в пакет, проклеенных целлулоидом и изогнутых. Конец пакета приваривают к валику 3, на котором намотана нить 4 с подвешенным к ней гру­ зом 5, создающим вращающий момент на рычаге щетки. Такая щет­ ка обладает высокой частотой собственных колебаний и может при­ спосабливаться к вибрациям кольца.

При осциллографировании динамических процессов необходимо предварительно оценить степень качественности осциллографирования при данных характеристиках токосъемников. Для этой цели используют динамические характеристики контактной термо-э. д. с. и сравнительные записи при неработающем и вращающемся токо­ съемнике типа осциллограммы. Такое предварительное определение возможности качественного осциллографирования очень удобно, так

4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕРМИЧЕСКИХ НАПРЯЖЕНИИ

Экспериментальное исследование термических напряжений в деталях стало возможным благодаря появившимся в последнее де­ сятилетие методам высокотемпературной тензометрии, а также по- ляризационно-оптическому методу. Экспериментальное изучение термонапряженного состояния конструкций представляет собой важную задачу, так как аналитические методы для решения проб­ лем термических напряжений разработаны еще в меньшей степени, чем для обычной теории упругости и пластичности. В то же время практика эксплуатации высокотемпературных агрегатов настоя­ тельно диктует необходимость изучения и контроля термических напряжений в деталях. Наиболее перспективным в этом отношении является метод высокотемпературной тензометрии, позволяющий не только фиксировать термические напряжения, но и изучать динами­ ку процесса развития поля термических напряжений.

Метод тензометрии широко используют на практике. Особенно распространен метод проволочной тензометрии. Он позволяет ре­ гистрировать быстро протекающие процессы, измерять деформации в отдаленных и малодоступных местах конструкций, а также пере­ давать данные измерений по проводам на значительные расстоя­ ния. Рабочим элементом, фиксирующим деформации, является тензодатчик сопротивления. Принцип действия тензодатчика основан на том, что при растяжении или сжатии изменяется сопротивление электрического проводника. Регистрируя изменения сопротивления наклеенного на деталь проводника, можно определить деформацию на ее поверхности [137].

Есть несколько типов тензодатчиков сопротивления. Наиболее распространенными являются датчики с петлевой намоткой прово-

2 П

локи. Основой датчика в этом случае служит тонкая бумага, к ко­ торой приклеена проволочная решетка в виде нескольких петель. К концам решетки припаяны выводы, сечение которых позволяет подключать тензодатчик к измерительной аппаратуре. Сверху ре­ шетка заклеена бумагой. Длина петли называется базой тензодатчика.

Основной характеристикой тензодатчика является коэффициент тензочувствительности, который характеризуется отношением отно­ сительного изменения сопротивления к относительной деформации тензодатчика:

волоки, качества бумаги, на которую наклеена проволока, свойств клея, температуры и др.

Тензодатчик обычно имеет решетку из нескольких витков и наклеивается на деталь так, чтобы его ось совпадала с направле­ нием главного напряжения. Решетка выполняется из проволоки, обладающей большим коэффициентом тензочувствительности.

При изготовлении тензодатчиков необходимо учитывать те требования, которые предъявляются к материалам, из которых вы­ полняются детали датчиков. Особенно жесткие требования предъяв­ ляются к проволоке. Она должна иметь хорошую свариваемость и обрабатываемость, легкость пайки, малый коэффициент термиче­ ского удельного сопротивления, большое удельное сопротивление, линейную зависимость между удлинением и относительным сопро­ тивлением, а также большой коэффициент тензочувствительности. Наибольшее распространение при изготовлении тензодатчиков по­ лучила константановая проволока. Коэффициент тензочувствитель­ ности ее не меняется вплоть до разрушения. Диаметр константановой проволоки обычно выбирается в интервале 0,012—0,030 мм.

иридиевый сплав (80% Pt + 20% Ir) и др.

Для закрепления проволоки и изоляции ее от детали служит ос­ нование датчика. Материал основания должен обладать следующи­ ми свойствами: стойкостью при нагревании, нечувствительностью к сырости, хорошими склеиваемостью, изолирующими свойствами,

212

тоне) или полимеризирующиеся клеи — бакелитовый, бакелито-фе-

Перед наклейкой датчиков поверхность детали тщательно очи­ щают от окислов, грязи и влаги. Приклеенный тензодатчик необ­ ходимо прижать усилием 20—30 н (2—3 кГ). Перед окончательной" сушкой проверяют с помощью тестера целостность решетки, а так­ же отсутствие короткого замыкания. Наклеенные и просушенныетензодатчики следует предохранять от действия влаги. Выводы дат­ чика обычно изготовляют из медной проволоки диаметром 0,15— 0,30 мм.

При измерении напряжений изменение сопротивления протарированных тензодатчиков фиксируют с помощью усиливающей и за- -писывающей аппаратуры.

Сущность метода высокотемпературной тензометрии мало чем отличается от методов тензометрирования при обычных температу­ рах. Основное отличие заключается в конструкции тензодатчиков,, применяемых при обычных и повышенных температурах. При повы­ шенной температуре в тензодатчике происходят явления, приводя­ щие к изменению сопротивления его решетки. Эти явления зависят от свойств материала исследуемой детали, цемента, чувствительно­ сти решетки и конструктивных параметров тензодатчика.

Цемент, на основе которого изготовлен тензодатчик, обладает не только упругими, но и пластическими свойствами. Степень плас­ тичности зависит как от температуры наклеенного тензодатчика,. так и от температуры, при которой он работает. Пластичность при­ водит к тому, что деформация тензочувствительной решетки ме­ няется, в то время как у измеряемой детали она может остаться неизменной. Изменение деформации решетки проявляется в изме­ нении во времени сопротивления тензодатчика ARn. Это изменениеполучило название ползучести датчика.

Обычно при изменении температуры электрическое сопротивле­ ние цемента также меняется, что ведет к изменению сопротивления тензодатчика ARm. Изменение сопротивления тензодатчика за счет уменьшения сопротивления изоляции объясняется тем, что цементиграет роль шунта между нитями тензочувствительной проволоки.. Увеличение влаги в цементе и окружающей среде также способст­ вует шунтированию решетки датчика и изменяет его сопротивление на величину ARB.

В общем случае в условиях повышенных температур измеряе­ мая деформация является не только функцией изменения сопротив­ ления ARç) и коэффициента тензочувствительности датчика К, но-

2 1Х

В ряде случаев при измерении деформаций при повышенных температурах изменение сопротивления тензодатчика от темпера­ туры может Б несколько раз превысить изменение его сопротивле­ ния от деформации. При учете влияния на датчик деформации, тем­ пературы, ползучести, влажности и других факторов относительные приращения сопротивления тензодатчика связаны с приращением отсчетов ф — фо по шкале прибора зависимостью

І Ш З Д IHflAf).]•<-3'

где <р0 — начальный отсчет по шкале прибора; tp —конечный отсчет по шкале прибора; Кпр — постоянная прибора; ( ^ * j —относитель­ ное изменение сопротивления тензодатчика при относительной

между отсчетами от <р0 до ср.

Относительное изменение сопротивления тензодатчика при изме­ нении деформации на основании формулы (5.4.1) можно предста­

тде £— деформация; К — коэффициент тензочувствительности. Отсюда

ния тензодатчика, за исключением (-^Л .

Д ля получения истинного значения £ в измерительную схему вводят еще компенсационный тензодатчик, который должен нахо­ диться в таких же условиях, как и рабочий, но наклеиваться на ненагруженную деталь (т. е. компенсационный тензодатчик будет получать все те изменения сопротивления, что и рабочий, за исклю­ чением изменения сопротивления от деформации). В этом случае

Кг, — Ккт

где АГр и Кк— коэффициенты тензочувствительности соответствен­ но рабочего и компенсационного тензодатчиков; ^ [ ( ^ ) — ( ^ ) ] "

сумма разностей между относительными изменениями сопротивле­ ния рабочего и компенсационного тензодатчиков, например

[(f)r(v).Wvl-(f).,--

тензодатчика высокотемпературной деформации в какой-либо точке поверхности детали необходимо в каждом конкретном случае выя ­

распространение получили мостовые схемы. Измерительная схема состоит из рабочего датчика сопротивлением Ri, наклеенного на деталь, и дополнительных трех сопротивлений R2, R3, R4- В одну из диагоналей моста подключается измерительный прибор, а в другую подводится питающее напряжение U. Ток, проходящий через галь­ ванометр, можно определить, пользуясь законом Кирхгофа:

215=

Сопротивления R2 и Rs, как правило, выбирают одинаковыми. В качестве компенсационного сопротивления Ru используют датчик, наклеенный на ненагруженную деталь. Такая схема позволяет ис­ ключить погрешность из-за неодинакового нагрева одного из со­ противлений проходящим током.

гальванометр, пропорционален относительному изменению сопро­ тивления тензодатчика, а следовательно, и относительной дефор­ мации поверхности детали.

деформаций. Она представляет собой измерительную цепь делите­ ля напряжения, питаемую постоянным током. Разделительный кон­ денсатор Ср пропускает только переменную составляющую паде­ ния напряжения на рабочем датчике и отфильтровывает постоян­ ную составляющую. Вспомогательное сопротивление R2 выбирают приблизительно в 10 раз большим, чем R\.

Выходное переменное напряжение AU подводится к усилителю переменного тока с высоким входным сопротивлением. В качестве измерителя используют вибратор шлейфового осциллографа или

откуда можно определить относительную деформацию поверхности

.детали.

Особое место среди экспериментальных методов изучения на­ пряженного состояния деталей занимает поляризационно-оптичес- кий. Он позволяет быстро и точно решать сложные практические задачи, определять действительное напряженное состояние в объе­ ме тела, давая одновременно наглядную картину распределения напряжений. Исключительная наглядность этого метода выгодно отличает его от всех других методов исследования напряжений.

216

При использовании поляризационно-оптического метода воз­ можно исследование натурных конструкций на моделях малых раз­ меров без снижения точности измерения напряжений на них. Это имеет решающее значение при изучении напряженного состояния и деформаций реальных конструкций, когда вмешательство в про­ изводственную работу последних существенно удорожает и услож­ няет исследования. Возможно также определение напряжений в плоских и объемных деталях при различных способах их нагружения (внешние силы, внутреннее давление и т. д.).

ния света; ab — плоскость поляризации

Поляризационный метод, или метод фотоупругости, основан на свойстве большинства прозрачных материалов становиться двоякопреломляющими при деформации под действием нагрузки. Эти изменения оптических свойств выражаются величинами, которые характеризуют напряжения в материале. Напряжения в прозрач­ ной модели из оптически активного материала измеряют, как пра­ вило, с применением монохроматического света ,[138, 139].

В полярископе от обычного источника света с помощью поляро­ ида (поляризатора) получают плоскополяризованный монохрома­ тический свет, которым просвечивают модель. В каждой точке мо­ дели возникают две когерентные волны (рис. 5.21), имеющие коле­ бания в плоскостях главных напряжений. Они проходят модель с различной скоростью, зависящей от главных напряжений а\ и ог и оптической чувствительности материала к напряжениям, а также от длины волны монохроматического света. Различие скоростей в двух взаимно перпендикулярных плоскостях приводит к разности Rt хода волн.

Для измерения разности Rt хода, зависящей от главных напря­ жений о\ и 0 2 , за моделью устанавливают второй поляроид (анали­ затор). Он пропускает только составляющие обоих колебаний, па­ раллельные его главной плоскости. Таким образом, анализатор

217

приводит составляющие обоих когерентных колебаний к одной пло­ скости, благодаря чему они могут интерферировать.

Рис. 5.22. Принципиальная схема просвечива­ ния модели в поляризационной установке:

ную модель, связана с главными напряжениями в этой модели зависимостью, которая является основным законом фотоупругости:

где с — постоянная, называемая оптическим коэффициентом напря­ жения и зависящая от свойств материала; t — толщина модели.

Закон фотоупругости (5.4.13) устанавливает прямую пропорци­ ональность между разностью Rt хода и разностью главных напря­

ла, толщины модели и длины волны света %, применяемого в поля­ ризационной установке.

218

Постоянную тог называют ценой полосы модели:

Рис. 5.23. Схема образования изохром (линий равных максимальных каса­

t

219