(Работа может носить теоретический характер, либо выполняться по выбору студента)

Цель работы: измерение рабочих напряжений в эле­ментах пространственной конструкции и сопоставление их с вели­чинами, полученными в результате расчета.

Оборудование и материалы:

- тензометричекий датчик;

- лабораторный стенд.

Содержание работы:

В настоящей работе измерение напряжений в элементах фермы производят проволочными тензодатчиками.

Для проволочных тензодатчиков обычно используют константановую проволоку диаметром в несколько десятков микрон. Креп­ление датчика на детали осуществляют с помощью клея.

Если металлическую проволоку подвергнуть действию растя­гивающей силы, то вследствие изменения величин удельного сопро­тивления материала, изменения длины и сечения проволоки ее электрическое сопротивление тоже изменится. Опыт показывает, что это изменение относительного сопротивления пропорционально возникшей деформации металла и может быть использовано для ее измерения.

При измерении деформаций прово­лочными тензометрами следует иметь в виду, что на результат могут ока­зывать влияние три вида температур­ных воздействий. Изменение темпе­ратуры объекта и окружающей сре­ды вызывает изменения электриче­ского сопротивления тензометра, длины проволоки тензометра и линей­ных размеров испытуемого объекта. Все эти явления могут влиять на электроизмерительную схему так же, как влияют изменения механических сил, приложенных к объекту. Поэтому необходимо исключить влия­ние этих явлений.

Самым распространенным методом компенсации влияния пере­менной температуры является применение двух идентичных тензо­метров, из которых один наклеен на испытуемую деталь, а второй — на ненагруженную пластину из того же материала, находящуюся в тех же температурных условиях. Тензометры включают в соседние плечи моста Уитстона, используемого в качестве измерительной схемы (рис. 1), и этим автоматически компенсируют температурные влияния. В целях упрощения схемы (когда измерения производят в помещении) можно использовать один компенсационный тензо­метр, соединяя его поочередно с каждым из рабочих тензометров при производстве отсчетов.

Рис. 1. Схема моста Уитстона с проволочными тензометрами сопротивления: М – измерительный тензометр; К – компенсационный тензометр; R₁ и R₂ – постоянные сопротив­ления; А – нагруженная деталь; В – свободная деталь; 1, 2, 3, 4 – вершины моста Уитстона

Общая схема лабораторной измерительной установки, рассчи­танной на поочередное измерение деформаций в нескольких точках, показана на рис. 2.

Рабочие датчики Р1 Р2, Р3, и один компенса­ционный К, составляющие попарно первые два плеча моста, рас­положены в верхней части схемы. Два других плеча (в нижней части схемы) составляют такие же проволочные тензометры Б. Рабочие тензометры Р1, Р2, Р3 наклеены на испытуемые элементы конструк­ции. Компенсационный тензометр и тензометры Б наклеены на сво­бодную пластинку из материала испытуемых элементов. Включение рабочих датчиков в схему моста производят переключателем. Положение указателя переключателя определяет номер включенного рабочего датчика. Балансирование моста производят реохордом, витки которого выполнены из манганина, отличающегося высоким постоянством удельного сопротивления при изменении температуры. Скользящий латунный контакт реохорда в сочетании с манганином создает в цепи высокочувствительного гальванометра Г термо-э.д.с, величина которой изменяется с изменением температуры и, таким образом, искажает показания гальванометра. Для компенсации этой термо-э.д.с предусмотрен второй контакт латунь-манганин, показанный в верхней ча­сти схемы.

Рис. 2. Электрическая схема изме­рительной установки

Для того чтобы предотвратить увеличение тока, протекающего через высокочувствительный гальванометр в момент переключения рабочих тензометров, цепь гальванометра постоянно разомкнута. Для снятия показания гальванометр включают путем нажатия кнопки (на схеме не показано).

Измерения производят следующим образом. Установкой указателя в первое положение включают измерительную схему моста первого рабочего датчика. С помощью реохорда стрелку гальвано­метра совмещают с нулевым делением и записывают отсчет указа­теля реохорда. Подобную операцию повторяют для всех рабочих датчиков. Затем производят нагружение конструкции. Снова вклю­чают каждый из рабочих датчиков, устанавливают по шкале рео­хорда соответствующее данному датчику положение указателя и фиксируют показание гальванометра.

Направление отклонения стрелки гальванометра характеризует знак деформации, а величина отклонения – величину деформации. Тарировка осуществляется включением рабочего датчика, наклеен­ного на консольную балку равного сопротивления (рис. 3).

Балку нагружают грузовыми пластинами с прорезями, каждая из которых имеет вес 1 кг. Зная закон изменения сечения балки по ее длине (см. рис. 3), можно определить напряжения на ее поверхности и построить тарировочный график показаний гальванометра в зави­симости от величины напряжений.

Рис. 3. Тарировочная балка

Тарировочное устройство другого типа, где тарировочный дат­чик наклеивается на среднюю часть балочки 1, показано на рис. 4.

Рис. 4. Тарировочное устройство

Нагружение концов балочки 1, лежащей на двух опорах 2, осуществляется маховичком 6 через тросики 3 от винтов 4 и 5, имеющих правую и левую резьбы. Прогиб балочки фиксируется индикатор­ной головкой 7 и позволяет расчетным путем определить напряжения на ее поверхности.

Сварные конструкции ча­сто оказываются под дейст­вием нагрузок, меняющих свое положение. Примером могут служить фермы моста при движении поезда, под­крановые балки при движе­нии крана и т. д. Для определения максимального уси­лия в расчетном элементе конструкции используют так называемые линии влияния, представляющие собой зависимость величины усилия или момента от положения груза. В качестве примера на рис. 5 показана линия влияния усилия в стержне 3.

Абсциссы этой линии влияния характеризуют положение груза, а соответствующая ордината – усилие в стержне при данном положении груза. Такие линии влия­ния могут быть построены как в результате аналитических подсче­тов, так и опытным путем.

Рис. 5. Схема фермы и линия влияния в стержне 3

В лабораторной работе испытывают макет кранового моста, состоящего из главной и вспомогательной ферм, соединенных горизонтальными и вертикальными поперечными связями. При расчете подобных конструкций часто допускают, что вся нагрузка воспри­нимается только главной фермой. В действительности прогиб глав­ной фермы вследствие наличия вертикальных связей вызывает не­который прогиб вспомогательной фермы, в результате чего в стерж­нях последней возникают напряжения, которые в расчетах обычно не учитывают.

Нагружение осуществляется специальным механизмом, кине­матическая схема которого представлена на рис. 6. 

Балка 10 имеет ряд проушин 9, расположенных под каждым из узлов нижнего пояса главной фермы 7. Динамометр 8 с помощью крюка и винтовой стяж­ки подвешивается на косынку какого-либо узла главной фермы и закрепляется штырем в соответствующей проушине балки 10. Мо­тор 1 через ременную передачу 2 и две червячные пары 3 и 4 вращает кулачок 5, нажимающий на ролик 6, и, поворачивая жесткую бал­ку 10 вокруг опоры 11, нагружает ферму 7 через динамометр 8. Для измерения прогибов главной и вспомогательной ферм исполь­зуют индикаторные головки часового типа.

Рис. 6. Кинематическая схема нагружения фермы

Порядок выполнения работы

1. Ознакомиться с методом измерения напряжений проволоч­ными тензометрами и схемой измерительного пульта.

2. Включить аккумулятор и отбалансировать мост тарировочного датчика.

3. Произвести последовательное нагружение тарировочной балки (см. рис. 3) эталонными пластинами в количестве от 1 до 10 шт., записывая показания гальванометра после каждого воз­растания нагрузки.

4. Подсчитать напряжения в балке и в зависимости от показаний гальванометра построить тарировочный график.

5. Отбалансировать мосты при последовательном включении каждого из рабочих тензодатчиков и отсчеты по указателю реохорда записать в табл. 1.

6. Нагрузить первый узел.

7. Произвести отсчеты показаний гальванометра для датчиков, наклеенных на элементы главной фермы, и результаты занести в табл. 1.

8. Снять нагрузку.

9. Нагрузить второй узел.

10. Произвести отсчет показаний гальванометра для всех рабо­чих датчиков и результаты занести в табл. 1.

11. Снять нагрузку.

12. Повторить указанное в пп. 6 – 8 для третьего и четвертого узлов фермы.

13. По тарировочному графику определить напряжения в испы­туемых элементах, результаты занести в табл. 1.

14. Для всех десяти элементов главной фермы построить линии влияния по результатам измерений напряжений.

15. Методом вырезания узлов подсчитать напряжения в стерж­нях 1, 5, 9 и 10 (см. рис. 5) при нагружении второго узла и получен­ные результаты нанести на графики линий влияния.

16. Сравнить данные, полученные экспериментальным и расчетным путём.

Таблица 1

Форма записи результатов испытаний

Требования к содержанию отчёта

Отчёт по лабораторной работе должен содержать название работы, цели работы, общие теоретические выкладки по теме лабораторной работы, эскиз образца, таблицу 1, заполненную данными, полученными в результате выполнения работы, схемы линий влияния, расчёты, выводы по работе.

Контрольные вопросы

1. В каких элементах главной фермы знак напряжений меняется в зависимости от расположения сосредоточенной нагрузки?

2. Каково назначение вспомогательных ферм, и какие усилия возникают в стержнях этих ферм при нагружении главной фермы?

3. Из каких соображений следует выбирать места наклейки датчиков на элементах фермы?

ЛАБОРАТОРНЯА РАБОТА №2

(Работа носит теоретический характер)