随着微型计算机技术、传感器技术的发展,试验机行业也发生了革命性的变化。如电液伺服闭环疲劳试验机,由于采用了应变速度快和精度高的液压执行元件伺服阀,可精确地进行载荷和应变的监控[1],与电子计算机配合使用可进行以推导量为控制对象的复合函数控制,并可进行载荷波形下的疲劳试验,这样不但使金属力学性能测试设备本身更加精密,而且也能实现更精确的复杂控制。
目前,内装微处理器技术与计算机系统技术配套组合在试验机上的应用进入了实用阶段。试验机可以在微处理器的支持下进行常规试验的测控,发挥了微处理器的小型性和灵活性的特点,另外也可以在计算机的监控下进行试验。为了充分、有效地利用已有资源和设备条件,目前许多单位都需要对原为机械式或模拟式输入、输出控制的试验机进行技术改造和革新。将计算机输入控制、数字化采集与存储、结果的直接可视化视频输出与网络传输等新技术引入试验,是改造的必由之路,也是我国试验测试技术与国际标准接轨的必要条件。本文以NJ-100B型扭转试验机为例,从硬件、软件结构设计,测量系统原理,力学扭转试验等方面对扭转试验机的计算机改造方法进行了研究。
1 硬件结构设计
NJ-100B型扭转试验机有扭力矩输出信号C和角位移输出信号r2个变化的物理量输出。这2个信号从所开发的扭转接口板上的插槽一同输入计算机。
用贴电阻应变片式传感器代替力矩传感器测微应变,然后进行标定的方法测量扭力矩。选用的电阻应变片传感器型号是BX120-5AA,阻值为120Ω,灵敏系数2.2±2.0%。所采用的应变桥路均采用全桥式,其四臂皆为工作片,桥路连接简单,输出灵敏度高,而且能实现很好的自补偿[2],这样就可以获得理想的扭力矩输出信号。经过分析试验和采集数据的比较,在试验机的一级杠杆上贴电阻应变片,如图1,也就是采用在试验机的一级杠杆即悬臂梁上贴电阻应变片。可以测得H1=100 mm,H3=38 mm,L=485 mm,厚度B=8 mm,根据图1可以求得
所以要把电阻应变片贴在距小端297.26 mm处,此处应力最大。
下一步利用光电编码器测扭转角:设计一套齿轮传动装置(包括2个齿轮和1个支架),通过齿轮的外啮合传动,把扭转试件的转数传给光电编码器的中心轴。根据齿轮的工作条件及加工条件,我们选择直齿圆柱齿轮,材料选用A3钢。齿形曲线选择渐开线齿形[3]。根据一般设计计算,同时考虑到避免根切,选用大齿轮齿数Z1为80,小齿轮齿数Z2为40;选用的光电编码器的型号为LEC-5000-G05E。
2 测量系统原理
图2是较为典型的数据采集系统结构形式。
如图3所示的微机接口板系统示意图,接口板插座提供应变桥的桥源,电压是+5 V,同时接收扭力矩信号,该信号经调零电路基本调节在零点附近(当扭力试验机不加载荷情况下),由于采用在试验机悬臂梁贴应变片的方式将该信号引出,因悬臂梁截面较大,故此信号输出较小,仅为几十个应变量,所以,我们选择高精度、低漂移前置放大器,进行100倍放大,再进入后级可编程放大器,然而,经过2级放大电路后,信号也只能达到200多个显示单位,此时每个显示单位约为0.4μV。放大后的信号再经滤波器、模数转换器,最后,变成数字量进入接口板上的8255芯片组成的2个8位接口、进入计算机总线,为软件编程做好准备。
转角信号输入为脉冲信号,直接为串行数字量,经预处理电路进入正反向识别电路,此电路的功能是当试件在扭转变形中如有缓冲或试验机有误动作时,能够辨别并能将该误差参与运算,以减少系统误差。正反向转角信号同应力信号一样,最后经接口板上的8255芯片进入计算机。
由于,光电编码器每转输出5 000个脉冲,当扭力试验机扭力主轴每转动一周时,经r1∶r2的齿轮比传送后,光电编码器输出的脉冲是
所以,扭力试验机扭力主轴每转动一周时,光电编码器输出的脉冲数是10 000个脉冲。
3 扭转试验主要性能参数的测量与计算方法
如图4所示,若把一对扭矩T施加于一长为L0,直径为d0的圆柱体,将产生一扭转角度φ。φ随着T的增加而增大,如把T和相应的φ值绘成曲线,以退火低碳钢为试样材料,则得出图5所示的扭矩-扭角曲线图(T-φ曲线图),或称为扭转图[4,5]。
在扭转试验中,试样横截面上各点的切应力是不相等的。在弹性变形阶段,试样横截面上各点所受的切应力与其至试样中心的距离成比例关系,如图6。图中1为弹性变形区,2为塑性变形区,中心所受的切应力为零,表面所受的切应力最大。在超过比例切应力后,各点的切应力则因其所处位置是否发生塑性变形而不同:近中心部分,因未发生塑性变形将仍维持其与中心距离的比例关系;近表面部分,因发生塑性变形,就失去比例关系。
在未超过比例切应力时,圆形试样横截面上距中心为r处的任意点切应力为
式中T———扭矩(N·mm);r———任意点至试样横截面中心的距离(mm);Ip———试样横截面的极惯性矩(mm4);式(1)称为扭转公式。可以求得圆形试样表面的切应力为
式中W———试样的抗扭截面模量(mm3)
在圆形试样横截面上距离中心为r的任意点处,切应力τr所产生的切应变为
式中αr为通过距离中心为r的任意点且平行于试样纵轴的直线,因τr作用而转动的角度。
圆形试样表面上,由于切应力τ所产生的切应变为
式中d0———试样平行长度部分的原始直径(mm);L0———试样原始标距(mm);φ———扭转角(rad)
设φ1,φ2是试样标距两端的扭转角,且φ1>φ2,则
上述公式都只在对试样施加切应力低于比例切应力时才有效[6]。当切应力达到使试样外表面发生塑性变形时,该扭转公式不再适用,可以采用另外一种方法进行处理,限于篇幅,不再详述。同理,可以得到其它测试参数的计算式。
4 软件设计
本次扭转试验机改造的软件实现使用的是C++语言,图7表示扭转试验软件包的总体结构。每一方框代表子功能模块,方框内标明功能,方框间用箭头表示所属关系。下面对软件中的各功能模块逐一进行简要介绍:
参数输入功能模块———在试验开始之前,运行该模块,输入试验及后续数据处理所需的各项参数。这些参数包括:量程选择(100 N·m,200 N·m,500 N·m,1 000 N·m),试样材料选择(低碳钢、高碳钢、铸铁、铜、铝),试样类型选择(圆形、管形等),试验编号,试样标距,试验温度,试样原始外直径,管形试样管壁厚度,国家标准等。
数字量与物理量关系标定模块———数字量与物理量关系标定是为了使屏幕显示与存储的数字量直接成为真实意义的物理量。不需要人工再去换算。它就是通过对一系列典型数据点进行采样,再对系列采样点进行输入输出回归分析,给出校线,从而让计算机算出真实物理量。该模块的功能是:①实现试件标定功能;②让学生了解标定的方法和过程。
实验开始功能模块———该模块的功能是:进行试验控制、绘制扭矩-扭角曲线,显示试验过程,以及再现实验曲线等。
报告生成的文件输出或打印功能模块———按报告输出按钮,出现实验报告画面。实验报告包括:姓名、班级、学号、日期、试样材料、试样类型、切变模量、抗扭强度、上屈服点、下屈服点、规定非比例扭转应力、最大非比例剪应变及它们的关系曲线和简要结果分析等。网络传输功能模块———实现试验结果报告的快速网络传递与信息交流。
5 结论
对改造后的试验机,按照材料的不同,采用5组不同类型的试样进行试验验证。分别为低碳钢:10根试件,为第1组;高碳钢:4根试件,为第2组;铸铁:10根试件,为第3组;铜:5根试件,为第4组;铝:5根试件,为第5组。通过该试验系统对采集到的实验数据,以纵坐标表示扭矩(单位:N·m),横坐标表示扭角(单位:(°)),进行实时扭矩-扭角曲线图绘制,不同材料的试验结果分别如图8所示。从图中可以看出:①低碳钢有明显的屈服阶段,而高碳钢没有明显的屈服阶段。②低碳钢大约在30~40 N·m时,试件开始出现屈服。而高碳钢大约在50~70 N·m时,试件才开始有屈服,且极不明显。低碳钢大约转6~7圈,力矩大约在70~90 N·m时,试件断裂。而高碳钢大约转2~3圈,力矩大约在130 N·m时,试件断裂。所以,从强度方面比较:低碳钢<高碳钢;从刚度方面比较:低碳钢<高碳钢。③铸铁、铜、铝没有屈服阶段,而只有过渡阶段(弹性阶段与强化阶段之间的过渡圆弧)。④铜大约在50 N·m时,出现过渡阶段。而铝大约在40 N·m时,出现过渡。⑤铸铁大约转1/7圈,力矩大约在60~80 N·m时,试件断裂。铜大约转2圈,力矩大约在80 N·m时,试件断裂。铝大约转2~3圈,力矩大约在70 N·m时,试件断裂。所以,从强度方面比较:铸铁<铝<铜
从强度方面进行综合比较:铸铁<铝<铜<低碳钢<高碳钢。
整个改造设计过程和诸多特征参数的获取、计算方法都很有效,方便灵活、准确可靠,有很高的稳定性。改造后的试验机不仅操作起来非常直观便利,而且其功能也得到大大加强,具有推广价值。
参考文献:
[1]赵负图.数据采集与控制系统[M].北京:北京科学技术出版社,1987.
[2]潘少川.实验应力分析[M].北京:高等教育出版社,1988.
[3]冯宗青,叶克明,辛 宁,等.齿轮手册[M].北京:机械工业出版社,1990.
[4] GB10128-88,金属室温扭转试验方法[S].
[5]冯美斌,徐家供.试验机与材料试验[M].北京:机械工业出版社,1989.
[6]郑修麟.材料力学性能[M].西安:西北工业大学出版社,1991.
作者简介:吴 伟(1968-),女,吉林桦甸人,北京机械工业学院科研处助理研究员,硕士,主要从事电测实验力学方面研究。
