Вимірювання залишкових напруг

Охолодження готових профілів на холодильниках робить істотний вплив на величину і розподіл залишкових напружень у готовому профілі. Напруження ці можуть бути настільки значними, що внаслідок деформації з'являється хвилястість профілю. Оптимальний режим охолодження профілів, забезпечує мінімальні залишкові напруги, підбирають експериментально на підставі даних вимірювання залишкових напруг. Розглянемо методику вимірювання залишкових напруг в балках і швелерах, яку можна застосовувати при дослідженні залишкових напружень в інших профілях.

На досліджуваний профіль (рис. 3.6) в напрямку змінюваних напруг наклеюють дротові тензодатчики з базою 20 мм і опором 200 Ом - по два в кожній досліджуваній точці. Поблизу робочих тензодатчиків монтують сталеві пластинки з наклеєними на них двома компенсаційними тензодатчиками. Чотири тензодатчика кожної точки з'єднують в бруківку схему, при цьому робочі тензодатчики утворюють протилежні плечі моста. Живлення підводять від акумулятора з напругою 6 в. У вимірювальну діагональ моста включають чутливий дзеркальний гальванометр типу М-91 / А. Ціну ділення шкали гальванометра визначають за допомогою двох тензодатчиків (ідентичних робочим), наклеєних на спеціальну градуювальну балочку, якій можна повідомляти заздалегідь відому напруга. Якщо зрівноважити міст при ненавантаженій балці, а потім повідомити їй напруга , то стрілка гальванометра відхилиться на поділок. Ціна поділки шкали дорівнюватиме відношенню / .

Після наклейки тензодатчиків на профіль проводять урівноваження мостів. Потім профілі розрізають на вимірювані ділянки дисковою фрезою. При цьому змінюються лінійні розміри ділянки, що викликає розбаланс моста. За свідченнями гальванометра визначають поздовжню залишкову напругу .

 

Рисунок 3.6. Схеми наклейки тензодатчиків і вирізки зразків для визначення поздовжніх залишкових напруг в балках (а) і швелерах (б)

 

Робочі тензодатчики знаходяться в умовах двовісного напруженого стану, тому поздовжню залишкову напругу правильно було б визначити по формулі

(3.25)

де - виміряна поперечна залишкова напруга.

Вимірами встановлено, що приблизно в десять разів менше , тому поперечними напругами можна знехтувати.

Сумарна похибка вимірювання, як показують підрахунки, становить близько 6,5%.

Величини поздовжніх залишкових напруг залежать від схеми охолодження. Так, в полегшених балках № 36 і 55, охолоджених звичайним способом, найбільші стискаючі напруги 119 і 121 МН/м² (12,1 і 12,3 кг/мм²) посередині поверхні стінок, а в тих же балках, охолоджених уповільнено, напруги в 6-10 разів менше.

Напруження в полках при сповільненому охолодженні також знижуються в кілька разів. Таким чином, при сповільненому охолодженні профілів можна досягти майже повного усунення залишкових напружень у готовому прокаті.

 

Конструкції месдоз

 

Циліндрична месдоза

На рисунку 3.7 приведена конструкція циліндричної месдози, розроблена в Дніпропетровському металургійному інституті.

Рисунок 3.7 Циліндрична месдоза на зусилля 2МН (200 Т)

 

Пружний елемент месдози являє собою циліндр з легованої сталі, в якому з боку торця виконано п'ять розточень: чотири малого діаметру (24 мм) і одна великого (45 мм). В розточеннях малого діаметра в напрямку твірної наклеєно по два дротових тензодатчика з базою 25 мм і опором 200 Ом, причому так, що осі тензодатчиків перетинають окружність центрів розточень. Усі вісім тензодатчиків є робочими і з'єднуються в одне плече півмилі. Друге плече напівміст (компенсаційне) складається з двох тензодатчиків, наклеєних на циліндричний стержень, який встановлений по осі розточки великого діаметру. На цьому ж стержні кріпиться монтажна планка з пелюстками, до яких підпоюють висновки від тензодатчиків, а також кінці вивідного трьохжильного кабелю. Для зрівнювання ємностей плечей напівміст паралельно компенсаційному плечу підключений конденсатор ємністю 62 nф.

Після закінчення монтажу тензодатчиків в напівміст і подпайки решту вивідного кабелю в розточення заливають вологозахисну масу (бітум з воском або парафін), потім розточення закривають заглушками. Переваги такої месдози складаються в простоті і міцності конструкції, надійності захисту тензодатчиків від шкідливих впливів. Однак мес доза чутлива до розподілу навантаження по контактної площі і температури за обсягом месдози. При стабілізації розподілу навантаження похибка месдози не перевищує 5-6%, а при нерівномірному її розподілі похибка може доходити до 35% (навантаження по кільцю діаметром 140/100 мм).

 

Стрижневі месдози

На рисунку 3.8 приведена конструкція четирьохстержневої месдозис фольгових тензодатчіками зусилля 2МН (200 Т), яка входить до складу двоканальної силовимірювальної установки. Пружний елемент месдози набраний з чотирьох стрижнів 2 перетином 50 X 50 мм і висотою 100 мм. Стрижні виготовлені зі сталі ЗОХГСА і термічно оброблені до твердості 40-45 HRС. Стрижні поміщені в корпус, що складається з двох частин: верхньої збірної 1 і нижньої 5. Деталі корпусу, що контактують зі стержнями, виготовлені зі сталі 40Х і термічно оброблені. Для усунення зміщення стрижнів при роботі месдози останні встановлені в гнізда, утворені фігурними планками 6, прикріпленими гвинтами до нижньої частини корпусу. Герметизація корпуса досягається установкою кільцевої прокладки 4 з маслостійкої гуми. Вивідний кабель проходить через штуцер 3, що складається з нажимної гайки і гумового кільця. У даній конструкції месдози застосовані фольгові тензодатчики з базою 10 мм і опором 100 Ом. На кожен стрижень наклеєно по чотири тензодатчика: два в поздовжньому напрямку і два в поперечному. Поздовжні тензодатчики відчувають деформації стиснення, а поперечні - розтягнення. При навантаженні 2Мн (200 Т) і рівномірному розподілі її між стержнями на кожен стрижень доводиться навантаження 0,5 Мн (50 т). Середнє по перетину стрижня напруга дорівнює 200 (20 ), а поздовжні і поперечні деформації відповідно 1 - і 0, 3 - .

Тензодатчики, наклеєні на кожен стрижень, з'єднані в міст (рис. 3.9). У свою чергу мости стрижнів з'єднані в загальний міст, при цьому в кожне плече моста входять тензодатчики, що сприймають деформацію тільки одного знака. Таке з'єднання тензодатчиків дозволяє досягти хорошої температурної стабільності моста навіть в тому випадку, коли температури стрижнів розрізняються. Живлячись мости обох месдоз від одного джерела, яке складається з феррорезонансного стабілізатора (, ) двох мостових випрямлячів ( — , — )і згладжуючих пульcацій випрямленого струму індуктивно-ємнісних фільтрів (, .

Рисунок 3.8 Чотирьохстрижнева месдоза зусиллям 2 Мн (200 т.)

 

Рисунок 3.9 Принципова електрична схема двоканальної сило вимірювальної установки

 

Ферорезонансний стабілізатор зібраний за найпростішою схемою складається з понижуючого трансформатора і конденсатора . Опір служіт для розряду конденсатора при вимиканні джерела. Урівноважуються мости месдоз потенціометрами по міліамперметра, які підключаються до виходів мостів тумблерами . Змінні опору служать для зрівнювання відхилень гальванометром, що підключаються до виходів, при завданні в мости однакових калібрувальних розбаланс підключенням до їх плечах тумблерами сопротівленій . Ці опору за величиною підбирають такими, щоб при виведених опорах струм на виході, що викликається калібрувальним розбаланс, дорівнював вихідному струму при напружені месдози зусиллям 2Мн (200 Т). Застосування електричної калібрування дозволяє не закріплювати за каналами гальванометри. Справді, в будь-якому положенні змінних опорів при включенні калібрування гальванометр дає таке ж відхилення у, як і при нагруженіімесдози зусиллям 2Мн (200 т). Тоді масштаб запису дорівнює:

(3.26)

Градуірована характеристика одного каналу наведена на рис. 99. При навантаженні 2,05 Мн (205 Т) вихідна напруга каналу складає 30 мв. Для запису вихідних струмів каналів можуть використовуватися гальванометри МОВ-2-1Х і МОВ-2-Х осцилографа МПО-2 (Н-102), а також гальванометр М-001-1 осцилографа Н-700. Похибка вихідного струму каналу при коливанні напруги мережі в межах % не перевищує %. Похибка вимірювання тиску менше %. На рисунку 3.11 приведена конструкція стрижневої месдози на зусилля 10Мн (1000 Т), розроблена НІІМ для стаціонарного контролю тиску металу на валки.

 

Рисунок 3.11. Стрижнева мездоза на зусилля 10Мн (1000 Т)

 

Пружний елемент месдози складається з 14 робочих стержнів 6, що сприймають вимірювану навантаження, і чотирьох холостих 5 (компенсаційних). Стрижні діаметром 48 мм і висотою 98 мм (h / D = 2,0). Виготовлені вони із сталі 35Х2ГСВА і термічно оброблені до твердості 36-42 HRC. При рівномірному розподілу і вимірюваної навантаження між стержнями напружених робочих стержнях при навантаженні 10Мн складає 190 (19 ).

Датчиком деформації стержня служить намотана на його поверхню в один шар тензочутливості константа нової проволки марки ПЕЛШКД діаметром 0,2 мм. Перед намотуванням і після неї стрижень покривають тонким шаром емалі СВД, яка сушиться при 120 ° C протягом 8 год. Для скріплення дроту зі стрижнем можна також застосовувати клей БФ-2. Опір обмотки 22,5 Ом. Відносне зміна опору крученого тензодатчика під дією поперечної деформації стержня становить

(3.27)

де -чутливість дроту до деформації.

 

Рисунок 3.12. Схема з'єднання робочих і компенсаційних тензодатчиків в міст

 

Основна перевага витого тензодатчика - висока стабільність характеристик завдяки відсутності зсувних зусиль в клейовий підкладці. Схема з'єднання тензодатчиків стрижнів в міст наведена на рисунку 3.12. Установка має лінійну характеристику і забезпечує точність вимірювання тиску не нижче %. Переваги стрижневих месдоз - висока точність вимірювання і незалежність показань від розподілу вимірюваної навантаження на контактних майданчиках; недоліки - порівняно складна конструкція і необхідність ретельної підгонки чутливості стрижнів для підвищення точності.

 

Мембранні месдози

На рисунку 3.13 приведена мембранна месдоза з фольгових тензодатчиками конструкції Дніпропетровського металургійного інституту, розрахована на зусилля 1200 кН (120 Т). Пружний елемент 1 месдози відрізняється від раніше розглянутого наявністю в центральній частині мембрани циліндричного потовщення, яке, по-перше, зміцнює мембрану, а во-друге, виключає вплив дотичних сил на деформацію в місцях розташування тензодатчиків. Пружний елемент месдози виготовлений із сталі 40Х і термічно оброблений. У верхній частині мембрани встановлений фланець 2, за допомогою якого месдоза утримується по осі натискного гвинта. Внутрішня порожнина елемента закривається кришкою 3 і герметизується кільцем 4 з маслостійкої гуми.

Рисунок 3.13 Мембранна мездоза на зусилля 1200 кН (120 Т)

 

Рисунок 3.14. Розташування тензодатчиків на внутрішній стороні мембрани (а), і схема з'єднання їх в міст (б)

 

Вивідний кабель проходить через ущільнювальний штуцер. З'єднання тензодатчиків в міст виробляється на монтажній планці 5 з пелюстками. Після монтажу тензодатчиків і підпайці решт вивідного кабелю внутрішню поверхню мембрани і монтажну планку покривають вологозахисної маси. Розташування тензодатчиків на внутрішній стороні мембраної схема з'єднання їх в міст наведено на рисунку 3.14. Тензодатчики 1 сприймають деформацію розтягування, а тензодатчікі2-стиснення. В месдозе застосовані фольгові тензодатчики опором 50 Ом з базою 10 мм. На рисунку 3.15 приведена градуювальна характеристика месдози, отримана при струмі живлення моста 0,7 а. Якщо, наприклад, до виходу моста підключити гальванометр М-001-1 осцилографа Н-700, то він забезпечить при навантаженні на месдозу 1200 кН (120 Т) відхилення на фотопапері приблизно 100 мм. Випробування такої месдози показало, що вона нечутлива до різних видів навантаження і забезпечує точність вимірювання не менш %.

 

Рисунок 3.15 Градуювальна характеристика мембранних мездоз при струмі живлення моста 0,7 а

 

Основні переваги месдози: проста і міцна конструкція, невеликий висотний габарит, надійний захист тензодатчиків від шкідливих впливів і висока точність. Недолік - чутлива до розподілу температури за обсягом.

 

Кільцеві месдози

Месдози з кільцевим та пружним елементом широко застосовуються для вимірювання навантажень на натискні гвинти. На рис. 3.16 приведена кільцева месдоза з градуювальним пристроєм. Ця месдоза складається з пружного елемента 5, розміщеного в корпус 3, який закривається підставою 4. Верхня частина корпусу служить циліндром, в якому переміщується плунжер 1.

Ущільнення плунжера виконано у вигляді Г-подібної манжети з притиском 2. Корпус з'єднується з основою болтами 8. Герметизація внутрішньої порожнини корпусу забезпечується ущільненнями 6 і 7. Проводи від тензодатчиків виводяться через штуцер 9. Для подачі масла під час градуювання месдози в циліндрі є отвір, який з'єднують з мастилопроводів насоса і прецизійним манометром. При від'єднанні насоса отвір перекривають пробкою 10. В месдозе застосовані фольгові тензодатчики, які розташовуються на внутрішній і зовнішній поверхні кільця (рис. 3.17). Повздовжні тензодатчики1-8 працюють на стиск, поперечні I-VI II-на розтяг. Тензодатчики включаються до міст таким чином, щоб поздовжні і поперечні тензодатчики входили в протилежні плечі.

Рисунок 3.16. Кільцева Месдоза з градуювальним пристроєм

 

Месдоза призначена для стаціонарного контролю тиску металу на валки на станах холодної прокатки. Градуюється месдоза після установки під нажимний гвинт.

Рисунок 3.17. Розташування тензодатчиків на пружному елементі кільцевої мездози

 

Месдоза з градуювальним пристосуванням володіє наступними перевагами: може градуюватися безпосередньо на таборі; завдяки постійності контактних умов при градуюванні і вимірах забезпечується висока точність вимірювань (~ 1%).

Магнітопружні месдози

Ці месдози засновані на явищі магнітної пружності, що полягає у зміні магнітної проникності феромагнітних матеріалів під впливом механічних деформацій. Робочим елементом месдоз служить магнітопровід, виготовлений з феромагнітного матеріалу, наприклад з трансформаторної сталі, який під впливом прикладається до нього вимірюваної навантаження змінює свої магнітні властивості. Існуючі магнітопружні месдози прийнято ділити на дві групи: дросельні та трансформаторні. Вихідний величиною, залежною від вимірюваної сили, у дросельних месдоз служить зміна індуктивного опору (параметричні датчики), а у трансформаторних - зміна е. р. с. (генераторні датчики).

Рисунок 3.18 Конструкція дросельної мездози (а), схема вимірювального ланцюга (б)

 

На рисунку 3.18 приведена конструкція дросельної месдози і схема підключення її до вимірювальної ланцюга. Робочий елемент месдози являє собою паралелепіпед, набраний із пластин трансформаторної сталі з двома наскрізними отворами для намотування обмотки. Робочими частинами магнітопровода служать вертикальні ділянки 1, 2 і 3. Навантаження, прикладене до месдози, викликає зменшення магнітної проникності матеріалу на цих ділянках, внаслідок чого зменшується індуктивний опір обмотки. Це призводить до збільшення напруги на виході випрямляча B₁. Якщо при відсутності навантаження початкова напруга на виході випрямляча було скомпенсовано зустрічним напругою випрямляча B₂, то через вихідний прилад потече струм, за величиною тим більший, чим більше прикладається до месдозе навантаження.

Потенціометр Р служить для регулювання напруги на виході випрямляча (зустрічного напруги) при відсутності вимірюваного навантаження. Конструкція трансформаторної месдози (типу прессдуктор) і схема підключення до вимірювальної ланцюга наведені на рисунок 3.19.

Робочий елемент месдози являє собою паралелепіпед, набраний із пластин трансформаторної сталі, по діагоналях якого симетрично просвердлені чотири отвори. Через отвори намотані дві обмотки - первинна I і вторинна II. Площини обмоток нахилені під кутом 45 ° до напрямку програми вимірюваної навантаження. Принцип дії такої месдози полягає в наступному. Струм, що протікає по первинній обмотці I, створює в магнітопроводі потоки і , які замикаються навколо витків первинної обмотки і не перетинають площину вторинної обмотки. При навантаженні месдози магнітна проникність в напрямку дії сили зменшується, в результаті чого потоки і первічной обмотки починають перетинати площину вторинної обмотки, наводячи в ній е.. д. с., тим більшу, чим більше навантаження прикладена до месдозі.

 

Рисунок 3.19. Конструкція трансформаторної мездози (а), схема вимірювального ланцюга (б)

 

Оскільки повну ізотропність матеріалу сердечника забезпечити не вдається, невелика частина потоку первинної обмотки все ж пронизує вторинну обмотку, наводячи в ній початкову е. р. с., і при відсутності вимірюваної навантаження. Для компенсації цієї е. р. с. до обмотки трансформатора підводиться від трансформатора , через фазорегулювальні ланцюг напруга, протилежне по фазі початковій е.. д. с. Напруга, що виникає при навантаженні месдози на обмотці 〖ω〗 _2 трансформатора , випрямляється випрямлячами і далі підводиться до вихідного приладу. Трансформаторні месдози типу прессдуктор застосовують для стаціонарного контролю повного тиску металу на валки.

Робочі елементи цих месдоз виконують у вигляді пакету або навитого кільця (рис. 3.20), в яких розташовується кілька пар обмоток. В обох випадках обмотки з'єднують так, щоб е. р. с. вторинних обмоток підсумовувалися. Крім складальних, застосовують також литі магнітопроводи з трансформаторної сталі з великим вмістом кремнію. Допустимі напруги в набірних магнітопроводах вибирають не більше 70 (7 ), в литих - до 200 (20 ).

 

Рисунок 3.20. Конструкції різних елементів магнітопружних мездоз, а - збірний з пластин, б - навитої зі стрічки

 

Основною перевагою магнітопружних месдоз є висока надійність в роботі. Точність вимірювання навантажень цими месдозами досягає 1-2%.