Машина для механических испытаний материалов
Полезная модель относится к области исследования прочностных свойств твердых материалов путем приложения к ним механических нагрузок. Целью заявляемой полезной модели является повышение точности поддержания скорости нагружения и снижение электропотребления. Для достижения указанной цели в машине для механических испытаний материалов на растяжение или сжатие с гидравлическим или механическим приводом, содержащей нагружающее устройство с силовым гидроцилиндром или подвижной траверсой с винтовыми колоннами, управляемые потоком рабочей жидкости от насосной установки или приводом постоянного тока, соответственно, систему измерения нагрузки, включающую тензорезисторные датчики силы или давления, преобразующие прикладываемую к образцу нагрузку или давление в рабочей полости силового гидроцилиндра в электрический сигнал, усилитель сигнала датчика силы или давления и электрический измеритель нагрузки, для привода насоса и винтовых колонн применен частотно-управляемый привод с асинхронным двигателем, при этом статорные обмотки асинхронного двигателя, приводящего во вращение насос или винтовые колонны, соответственно, в машинах с гидравлическим и механическим приводом, соединены с регулирующими выходами частотного преобразователя, выход усилителя сигнала датчика силы или давления подключен одновременно ко входам обратной связи частотного преобразователя и электрического измерителя нагрузки, а аналоговый вход частотного преобразователя соединен с выходом генератора линейно-изменяющегося напряжения.
Полезная модель относится к области исследования прочностных свойств твердых материалов путем приложения к ним механических нагрузок, более конкретно, к элементам конструкции устройств для исследования прочностных свойств материалов.
Известны машины для испытания материалов на растяжение (разрывные) и сжатие (прессы) с гидравлическим и механическим приводом /1, 2/.
В машинах с гидравлическим приводом растягивающие или сжимающие нагрузки создаются за счет перемещения плунжера силового гидроцилиндра под действием (напором) рабочей жидкости (масла), поступающей в рабочую полость гидроцилиндра от насосной установки. Насосная установка представляет собой герметичную емкость с рабочей жидкостью, в которой с помощью насоса с нерегулируемой производительностью и приводом от асинхронного двигателя создается высокое давление (20 МПа и более), необходимое для создания требуемой нагрузки на испытываемом образце. Для управления процессом нагружения используется регулятор скорости нагружения с ручным управлением /2/, работающий по принципу дросселя, находящегося независимо от давления в гидроцилиндре под постоянным перепадом давления. Конструктивно регулятор скорости нагружения представляет собой переливной клапан, сопротивление пружины противодействия которого изменяется вручную, что приводит к соответствующему изменению давления в гидроцилиндре. Рычаг управления скоростью нагружения связан с регулятором производительности насоса таким образом, что определенному
положению рычага управления скоростью нагружения соответствует определенная скорость подачи рабочей жидкости в полость гидроцилиндра.
Основными недостатками гидравлических испытательных машин с механическим регулятором скорости нагружения являются сложность конструкции регулятора, необходимость вручную поддерживать заданную скорость нагружения, значительная погрешность поддержания скорости нагружения испытываемого образца (нормируемая погрешность поддержания скорости нагружения достигает ±10...20% от заданной) и, как следствие, низкая точность определения механических характеристик испытываемого материала, не удовлетворяющая требованиям большинства зарубежных стандартов.
В машинах с механическим приводом /2/ требуемые нагрузки создаются за счет вращения ходовых винтов, перемещающих подвижную траверсу с активным захватом (машина разрывная), либо за счет вращения центрального винта, перемещающего рабочую опору (пресс).
И в том, и в другом случаях приводом таких машин является двигатель постоянного тока, управляемый тиристорным электроприводом.
Основным недостатком испытательных машин с механическим приводом является значительная стоимость электропривода, включающего двигатель постоянного тока и тиристорный преобразователь.
Указанные недостатки машин с гидравлическим и механическим приводом отсутствуют в случае использования в качестве электропривода насоса и ходового винта, соответственно, асинхронного двигателя, управляемого частотным преобразователем /3/.
Принцип работы частотно-управляемого привода заключается в том, что скорость вращения ротора асинхронного двигателя определяется частотой питающего его статорные обмотки напряжения.
Роль преобразователя частоты выполняет частотный преобразователь на IGBT - транзисторах, позволяющий регулировать скорость вращения ротора двигателя от 0 до 1÷1,5 Nном., (где N ном. - номинальная
скорость вращения ротора двигателя в оборотах в минуту). Преобразователи частоты выполняются на базе инверторов: переменное напряжение сети преобразуется выпрямителем, сглаживается индуктивно-емкостным фильтром, а затем с помощью инвертора осуществляется обратное преобразование из постоянного тока в переменный, обеспечивая формирование сигнала с необходимыми значениями напряжения и частоты. В инверторах, как правило, применяется метод высокочастотной широтно-импульсной модуляции (ШИМ), в результате которой на статорные обмотки двигателя поступает сигнал в виде последовательности импульсов напряжения постоянной амплитуды и изменяющейся длительности. При подаче такого сигнала на статорные обмотки двигателя (индуктивная нагрузка) в них формируются токи синусоидальной формы. Наличие у частотных преобразователей ПИД - или ПИ - регулирования позволяет осуществлять очень точное регулирование требуемого параметра за счет введения соответствующей обратной связи. В качестве датчика обратной связи на испытательных машинах могут быть использованы как тензорезисторный датчик давления, установленный в цепь высокого давления испытательной машины с гидравлическим приводом, так и тензорезисторный датчик силы, включенный в силовую цепь испытательной машины с механическим или гидравлическим приводом.
Требуемое значение нагрузки на испытываемом образце задается подачей на аналоговый вход частотного преобразователя определенного значения напряжения постоянного тока.
Целью заявляемой полезной модели является повышение точности поддержания скорости нагружения и снижение электропотребления.
Указанная цель достигается за счет того, что для привода насоса и винтовых колонн применен частотно-управляемый привод с асинхронным двигателем, при этом статорные обмотки асинхронного двигателя, приводящего во вращение насос или винтовые колонны, соответственно, в машинах с гидравлическим и механическим приводом, соединены с
регулирующими выходами частотного преобразователя, выход усилителя сигнала датчика силы или давления подключен одновременно ко входам обратной связи частотного преобразователя и электрического измерителя нагрузки, а аналоговый вход частотного преобразователя соединен с выходом генератора линейно-изменяющегося напряжения.
Полезная модель иллюстрируется чертежами: рис.1 - схема испытательной машины с гидравлическим приводом, рис.2 - схема испытательной машины с механическим приводом.
Машина для механических испытаний материалов включает в себя генератор 1 линейных функций, частотный преобразователь 2, двигатель 3, насос 4, гидроцилиндр 5, датчик давления 6, усилитель 7, электрический измеритель нагрузки 8, образец 9, редуктор 10, ходовые винты 11, траверсу 12, активный захват 13, датчик силы 14.
Предлагаемая машина работает следующим образом.
Линейно-изменяющееся напряжение с генератора 1 линейных функций поступает на аналоговый вход частотного преобразователя 2. К регулирующим выходам частотного преобразователя 2 подключены статорные обмотки двигателя 3. В случае испытательной машины с гидравлическим приводом (рисунок 1) двигатель 3 вращает насос 4, который создает давление в гидроцилиндре 5, а в случае испытательной машины с механическим приводом (рисунок 2) - вращает через редуктор 10 ходовые винты 11, перемещающие траверсу 12 с активным захватом 13. Выходной сигнал датчика давления 6 (рисунок 1), установленного в магистраль рабочего давления либо непосредственно в полость гидроцилиндра 5, или датчика силы 14 (рисунок 2), после усиления усилителем 7 поступает на вход обратной связи частотного преобразователя 2 и одновременно на электрический измеритель нагрузки 8.
Скорость вращения двигателя 3 изменяется в соответствии с законом изменения выходного напряжения генератора 1. По этому же закону изменяется давление в гидроцилиндре 5 (рисунок 1) либо
перемещение ходовых винтов 11 (рисунок 2), а, следовательно, и нагрузка на образце 9, которая поддерживается с высокой точностью контуром автоматического регулирования, образованного датчиком давления 6 (возможна также установка датчика силы) на рисунке 1 и датчиком силы 14 на рисунке 2, усилителем 7 и ПИД - или ПИ - регулятором частотного преобразователя 2.
Преимуществами предлагаемой испытательной машины являются отсутствие сложного механического регулятора скорости нагружения, автоматизация процесса испытания материала, высокая точность поддержания скорости нагружения образца, а на испытательных машинах с механическим приводом замена дорогостоящего электропривода постоянного тока на относительно дешевый частотно-управляемый привод с асинхронным двигателем упрощает конструкцию электропривода и дает значительный экономический эффект. В обоих случаях применение частотно-управляемого привода позволяет значительно сократить энергопотребление /4/, т.к. двигатель в следящем режиме всегда работает на малых оборотах. При этом потребляемая двигателем мощность снижается в 5÷7 раз относительно его номинальной мощности, в то время как в рассмотренных прототипах она может изменяться незначительно.
ИСПОЛЬЗОВАННЫЕ ИСТОЧНИКИ:
1. ГОСТ 28840-90. Машины для испытания материалов на растяжение, сжатие и изгиб. Общие технические требования. М., 1990 г., 10 с.
2. Испытательная техника. Справочник под редакцией В.В.Клюева, книга 1, М., 1982 г., с.40-116.
3. А.Бармин, М.Ташлицкий. Преобразователи частоты фирмы Siemens. Современные технологии автоматизации (СТА), №4, 2000 г., с.6-19.
4. М.Козлов, А.Чистяков. Эффективность внедрения систем с частотно-регулируемыми приводами. Современные технологии автоматизации (СТА), №1, 2001 г., с.76-82.
Машина для механических испытаний материалов на растяжение или сжатие с гидравлическим или механическим приводом, содержащая нагружающее устройство с силовым гидроцилиндром или подвижной траверсой с винтовыми колоннами, управляемые потоком рабочей жидкости от насосной установки или приводом постоянного тока, соответственно, систему измерения нагрузки, включающую тензорезисторные датчики силы или давления, преобразующие прикладываемую к образцу нагрузку или давление в рабочей полости силового гидроцилиндра в электрический сигнал, усилитель сигнала датчика силы или давления и электрический измеритель нагрузки, отличающаяся тем, что для привода насоса и винтовых колонн применен частотно-управляемый привод с асинхронным двигателем, при этом статорные обмотки асинхронного двигателя, приводящего во вращение насос или винтовые колонны, соответственно, в машинах с гидравлическим и механическим приводом, соединены с регулирующими выходами частотного преобразователя, выход усилителя сигнала датчика силы или давления подключен одновременно ко входам обратной связи частотного преобразователя и электрического измерителя нагрузки, а аналоговый вход частотного преобразователя соединен с выходом генератора линейно-изменяющегося напряжения.
