книги / Механика материалов. Методы и средства экспериментальных исследований

поток позволяет уравновесить тепловые потери (или нарастание температуры) от штанг испытательной машины прежде, чем воздух пройдет над образцом в центре подвижной нагрузки и затем через контрольную термопару.

Температура внутри камеры регулируется с помощью контроллера, который может хранить несколько программных сегментов. Контроллер установлен в заднем отсеке камеры и обеспечивает управление всеми температурными режимами в соответствии с заданными программами. Дисплей контроллера находится на пульте управления (рис. 2.32), который предназначен для подачи всех необходимых управляющих воздействий в процессе эксплуатации камеры.

Рис. 2.32. Пульт управления контроллером Eurotherm 2408

При работе с отрицательными температурами климатическая камера оснащена холодильным агрегатом. На рис. 2.33 представлен сосуд Дьюара, используемый для хранения, транспортировки и разлива жидкого газа (азота, аргона, кислорода) для промышленного и лабораторного применения.

81

Рис. 2.33. Сосуд Дьюара

В стандартную комплектацию баллонов входят: схема для повышения внутреннего давления, регулятор давления, предохранительный клапан, разрывная мембрана и манометр. Конструкция баллона позволяет автоматически поддерживать заданное давление.

На рис. 2.34 представлена климатическая камера в составе испытательной системы.

Для проведения испытаний при высоких температурах используются высокотемпературные муфельные печи. На рис. 2.35, 2.36 представлена трехзонная высокотемпературная печь SF 1770.

К основным характеристикам высокотемпературной печи SF 1770 относятся:

–размеры рабочей зоны 90×358 мм;

–наличие порта для установки экстензометра;

–максимальная температура, на образце 1000 °С.

Для обеспечения равномерного нагрева во всей рабочей зоне, а также контроля режима изменения температуры используется трехзонный котроллер печи SFL, представленный на рис. 2.37.

82

Рис. 2.34. Климатическая камера в составе испытательной системы Instron 5882

а

б

Рис. 2.35. Внешний вид высокотемпературной печи SF 1770 в закрытом (а) и открытом (б) состояниях

83

Рис. 2.36. Высокотемпературная муфельная печь SF 1770 в составе универсальной сервогидравлической системы 8801 при использовании захватов с водяным охлаждением

Рис. 2.37. Внешний вид трехзонного котроллера печи SFL

84

3.СРЕДСТВА КОНТРОЛЯ НАГРУЗОК

ИПЕРЕМЕЩЕНИЙ, АНАЛИЗА ПОЛЕЙ ДЕФОРМАЦИЙ

Метрологические вопросы играют первостепенную роль в практике экспериментальных исследований. В настоящем разделе описаны устройства регистрации значений усилий и перемещений, внимание уделено оптическим средствам анализа полей деформаций.

3.1. ДАТЧИКИ НАГРУЗОК

При исследовании механических характеристик материалов в процессе испытания используются специализированные датчики для регистрации усилий и перемещений. Ведущие мировые производители экспериментального оборудования обеспечивают создание датчиков усилий и перемещений широкой номенклатуры.

Датчики нагрузок устанавливаются в кинематическую цепь последовательно с испытываемым образцом. Внешний вид датчиков силы Instron серии 2525, а и 2527, б представлен на рис. 3.1.

Основная конструктивная составляющая датчиков силы – это упругий элемент, который деформируется в результате приложенной к датчику нагрузки. Величину деформации упругого элемента регистрируют наклеенные на него тензорезисторы. Тензорезисторы соединены в мостовую схему, что способствует более точному определению показаний и минимизации влияния температуры окружающей среды. Таким образом, при изменении действующей нагрузки изменяется напряжение, передаваемое датчиком силы контроллеру. Установление соответствия уровня напряжения действующей нагрузке осуществляется процедурой тарировки датчиков. Одни из основных характеристик

85

а б

Рис. 3.1. Датчики силы Instron серии 2525 (а), 2527 (б)

датчиков силы – это диапазон рабочих нагрузок (номинал датчика), в пределах которого деформация упругого элемента пропорциональна действующей нагрузке, и величина погрешности регистрируемых данных.

Существуют датчики, предназначенные для регистрации осевой нагрузки, крутящего момента, и датчики для одновременной регистрации осевой нагрузки и крутящего момента, используемые в двухосевых испытательных системах.

Во время усталостных испытаний с высокой частотой на сервогидравлических машинах подвижные элементы системы испытывают ускорение. В результате чего в дополнение к силе, прикладываемой к образцу, датчик нагрузки также регистрирует силу, возникшую в результате движения захватов и установленных приспособлений. Для минимизации ошибок, связанных с наличием инерционных сил, в таких испытательных системах используются датчики, в частности датчики Dynacell, имеющие

86

в своей конструкции акселерометр, установленный непосредственно на оси нагружения. Датчики нагрузки Dynacell характеризуются погрешностью измерения нагрузки не более 0,5 %.

3.2. ДАТЧИКИ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ

Большинство испытательных систем имеет в конструкции встроенные линейные датчики перемещений, выполненные на основе дифференциального трансформатора (LVDT датчики), установленные на линейном исполнительном механизме. Двухосевые испытательные системы оснащены также встроенными датчиками вращения на основе вращающихся индукционных преобразователей (RVIT датчики), установленными на валу поворотного исполнительного механизма. Встроенные датчики положения необходимыдляуправления инастройки испытательных систем.

При использовании данных со встроенных датчиков имеет место погрешность, связанная с жесткостью нагружающей системы. В связи с этим в исследованиях механических характеристик, зависимостей и закономерностей поведения материалов используются дополнительные датчики перемещений – экстензометры. Преимущество экстензометров заключается в том, что перемещения измеряются непосредственно на поверхности рабочей части образца и в высокой точности измерений.

Принцип действия экстензометров основан на регистрации деформирования упругого элемента при перемещении ножек датчика с использованием тензорезисторов. Экстензометры имеют различную конструкцию и предназначены для измерения таких величин, как осевая деформация, поперечная деформация, угол сдвига, величина раскрытия трещины.

В качестве примера на рис. 3.2 приведен экстензометр для измерения осевой деформации в испытаниях на усталость (см. рис. 3.2, а) и двухосевой экстензометр для измерения осевой и сдвиговой деформации при растяжении с кручением

(см. рис. 3.2, б)

87

а

б

Рис. 3.2. Динамический экстензометр для регистрации осевой деформации (а) и двухосевой экстензометр для измерения осевой и сдвиговой деформации (б)

На рис. 3.3 приведены экстензометры для измерения поперечной деформации плоских и цилиндрических образцов.

При проведении исследований в муфельных печах при высоких температурах применяются специализированные высокотемпературные экстензометры. В качестве примера на рис. 3.4 представлен высокотемпературный экстензометр для измерения величины раскрытия трещины.

Рис. 3.3. Экстензометры для измерения поперечной деформации

88

Рис. 3.4. Высокотемпературный экстензометр для измерения величины раскрытия трещины

Конструктивные особенности таких экстензометров (водяное охлаждение корпуса) и применение стеклянных и керамических ножек позволяют вывести корпус датчика за пределы печи. В результате чего минимизируется воздействие высоких температур на упругие элементы датчиков и тензорезисторы и обеспечивается надежная работа экстензометров.

3.3. ВИДЕОЭКСТЕНЗОМЕТР

Для бесконтактного измерения деформации существуют различные оптические системы, основанные на определении перемещений точек. Примером такой оптической системы является видеоэкстензометр AVE Instron (рис. 3.5).

Система AVE используется для точного измерения деформации, как продольной, так и поперечной, без необходимости контакта с образцом. К преимуществам бесконтактных измерений относятся отсутствие механического воздействия на испытываемый образец, простота использования и воспроизводимость результатов.

89

Рис. 3.5. AVE в составе испытательной системы

Принцип работы AVE основан на точном определении меток измерительной базы при помощи цифровой видеокамеры с высоким разрешением. Цифровая камера содержит двумерный видеодатчик. При проведении эксперимента камера постоянно получает изображение испытываемого образца. На рис. 3.6 представлена схема испытательной системы с AVE.

Камера установлена на конце воздушной трубы постоянной плотности, которая представляет собой воздушную камеру, через которую проходит постоянный поток воздуха. Это устройство создает воздушную завесу, которая минимизирует оптические искажения, создаваемые воздушными потоками, и таким образом снижает влияние помех на измерения. Скорость оцифровки видеосигнала составляет один кадр информации в 20 мкс.

Для установки различных полей зрения, соответствующих удлинению разных образцов, возможна замена объектива камеры. Для AVE допускается использование объективов с полем зрения 60, 200 и 500 мм. Апертура объектива, его фокусное расстояние и ориентация поляризационного фильтра камеры

90