3.1 Определение деформаций тензометрическим способом.

Наибольшее распространение в технике получили тензодатчики сопротивления. Принцип действия датчиков заключается в том, что при растяжении или сжатии электрического проводника изменяется его сопротивление, которое прямо пропорционально деформации.

Р исунок 3.1 – Проволочный тензодатчик.

Проволочный тензодатчик (рис.3.1) представляет собой спирально сложенную проволоку, обклеенную с двух сторон бумагой. Толщина проволоки (15  20) 10^-6 м. В качестве материала для нее используют сплавы высокого сопротивления – констант, нихром, хромель, элинвар, фехраль и др. Базой датчика является длина петли проволоки .

Проволочные тензодатчики характеризуются следующими основными параметрами размером решетки (базой); коэффициентом чувствительности к деформации – K; начальным сопротивлением. Длина тензодатчика определяется длиной тензометрической решетки (база тензодатчика). Общая длина тензодатчика превышает базу на 5  8 мм. На этой длине располагается соединение концов тензометрической нити с выводами. Ширина тензодатчика зависит от числа нитей и расстояния между ними.

Успешность измерения деформаций проволочными тензодатчиками во многом зависит от качества их приклейки. Поверхность металла в месте установки датчика должна быть ровной, но не очень гладкой, а слегка шероховатой. Ее обрабатывают мелкой наждачной бумагой, затем тщательно промывают растворителем. Датчики на бумажной основе наклеиваются клеем марки БФ – 2 или БФ – 4.

Тензодатчики должны быть ориентированы вдоль направления ожидаемых деформаций. При измерении деформаций проволочными тензодатчиками используются две схемы их включения мостиковая (мост Уитстона), используемая при испытаниях статистической нагрузки и потенциометрическая - при испытаниях динамических нагрузок.

Преобразование изменения сопротивления проволочного тензодатчика в изменение электрического тока или напряжения и регистрация последних осуществляется с помощью приборов, осциллографов, цифровых тензометров и других приборов.

2. Расчет напряжений в оболочках.

Деформации меридиональных и кольцевых напряжений в элементах аппарата измеряют в относительных единицах с помощью цифрового тензометрического моста, а расчет напряжений в измерительных точках производят следующим образом

_S = (₁ + ₂)

_T = (₂ + ₁),

где _S, _T - меридиональные и кольцевые напряжения, соответственно в направлении тензодатчиков 0 и 1; 2 и 3; 4 и 5, и т.д.; к = 2 – коэффициент тензодатчика; E – модуль упругости материала исследуемой оболочки, МПа;  = 0.3 – коэффициент Пуассона (отношение относительного поперечного сужения к относительному продольному удлинению, взятое по абсолютной величине); ₁, ₂ - разность деформаций меридиональных и кольцевых напряжений, соответственно в относительных единицах деформаций, определяются по формулам

_S= (_SP – _oS) 10^-5,

_T= (_TP – _oT) 10^-5,

где _oS, _oT - значение относительных деформаций меридиональных и кольцевых напряжений, соответственно при абсолютном давлении равному нулю, т.е. нулевое значение показание датчика при абсолютном давлении; _SP, _TP - значение относительных деформаций меридиональных и кольцевых напряжений, соответственно при избыточном давлении.

4 ОПРЕДЕЛЕНИЕ НАПРЯЖЕНИЙ В ЭЛЕМЕНТАХ ХИМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ.

4.1 Описание экспериментального стенда.

Стенд предназначен для исследования напряжений в тонкостенных оболочках, находящихся под внутренним, избыточным давлением. Гидравлическая схема стенда представлена на рис.4.1.

Рисунок 4.1 – Гидравлическая схема лабораторного стенда.

Исследовательский стенд состоит из вертикального цилиндрического аппарата 1, состоящий из цилиндрической обечайки, ограниченной сверху эллиптическим днищем, а внизу – плоским, и двух конических, состоящих из эллиптической крышки и конической оболочки, отбортованной на цилиндр 4 и без отбортовки 3, насосного агрегата (двигатель, редуктор и гидравлический плунжерный насос) с регулируемым расходом 5, образцовых манометров М₂, М₃ и М₅, запорных вентилей В_2-6, В_8-10, В₁₂, В₁₃, регулирующих вентилей В₁ и В₁₁, напорного бачка 2, сигнальных трубок С_1-5, металлоконструкции, на которой крепятся прибор измерения деформаций, цифровой тензометрический мост ЦТМ – 3 на 100 точек измерений с распределительным устройством, арматуры, пусковой и сигнальной электроаппаратуры, тензодатчики и другие элементы и детали.

Расположение тензодатчиков на элементах аппаратов показано на рис 4.2 и 4.3.

Р исунок 4.2 – Схема расположения тензодатчиков на цилиндрическом аппарате.

Рисунок 4.3 – Схема расположения тензодатчиков на конических аппаратах.

4.2 Методика проведения работы.

Работу начинают с изучения методических указаний и проведения инструктажа по технике безопасности. После освоения теоретической части, ознакомления с гидравлической и электрической схем, приступают к работе на стенде.

1. Заполняют водой напорный бачок 2, проверяют состояние заземления стенда, подключают его к электросети.

2. Устанавливают задающую стрелку блокированного электроконтактного манометра М₅ на деление 1,2 МПа (12 кгс/см²), а манометры М₂ и М₃ – на деление 1,1 МПа, предварительно включив их тумблера на щите стенда. Условно считаем, что допускаемое давление для цилиндрического и конического аппаратов равно 1,1 МПа, а давление 1,2 МПа – является критическим, при котором наблюдается разрушение аппаратов. При достижении давления 1,2 МПа и более, срабатывается манометр М_5, который отключает насосный агрегат и включается световая и звуковая сирена. Это означает, что произошла '' производственная катастрофа '' (условие конечно). Студент отстраняется от исследований, должен изучить методические указания и повторно получить допуск к работе на стенде.

3. Проверяют заполнение водой цилиндрические и конические аппараты. Для этого предварительно закрывают все вентиля. Открывают вентиль В₆ и нажимают на кнопку (1) ''ПУСК'', расположенную в правой стороне наклонной панели стенда, включают в работу плунжерный насос. Появление сплошной струи воды из сигнальной трубки С₃ показывает работоспособность насоса. Открывают вентили В₂, В₃ и В₁₂, а вентиль В₆ закрывают. Появление устойчивой сплошной струи из сигнальной трубки С₂ показывает о полном заполнении цилиндрического аппарата водой.

Для заполнения конических аппаратов открывают вентили В₉, В₁₀ и В₁₃, а закрывают вентили В₂ и В₃. Появление устойчивой сплошной струи из сигнальной трубки С₄ покажет полное заполнение конических аппаратов. После полного заполнения аппаратов, проверяют, достаточно ли воды в напорном бачке 2 (должно быть больше половины). Все условия выполнены, значит, стенд готов к исследованиям. Перед исследованиями все вентиля должны быть закрытыми.

4. Если исследованиям подвергают элементы цилиндрического аппарата, то включают в работу с помощью тумблеров 1 и 2, расположенных на панели, электроконтактные манометры М₂ и М₃, при чем манометр М₁ является образцовым, по которому измеряют внутреннее давление в аппарате. Определяют с помощью цифрового тензометрического моста ЦТМ – 3 начальные показания датчиков, выданных преподавателем для исследований, при атмосферном давлении Р₀ = 0 и вносят в таблицу. Преподаватель выдает каждому студенту измеряемые номера датчиков и соответственно давления, при котором исследуется данный датчик.

4.1. При исследовании датчиков 0  19, т.е. цилиндрический вертикальный аппарат, необходимо вентиля В₁, В₆ и В₁₀ закрыть. Включают насос. Из сигнальной трубки С₂ должна истекать равномерная струйка. Закрывают вентиль В₃ и выходит на нужный режим, т.е. нужное давление по образцовому манометру М₁. Выключают насос с помощью красной кнопки. Если давление манометра показывает больше, чем нужно, то с помощью игольчатого вентиля В₁ доводят давление в оболочке до значения, заданного в программе испытаний. Допускается корректировка давления вентилем В₃. После установки давления закрывают вентиль В₂ и выдерживают паузу min 30 секунд и измеряют деформации нужных тензодатчиков прибором ЦТМ – 3. При создании нового давления в аппарате открывают вентиль В₂ и включают плунжерный насос и процесс исследования повторяется в соответствии с программой испытания. Давление в аппарате пока не сбрасывать, оно возможно понадобится для конического аппарата.

4.2. При исследовании конических аппаратов, т.е. тензодатчиков 20 – 31, включают тумблера 3 и 4 манометров М₃ и М₄, причем манометр М₄ является образцовым. Вентиля В₉, В₁₀ и В₁₃ открыть и включить плунжерный насос и истечение жидкости из сигнальной трубки С₄ стабильной струи, вентиль В₉ закрывают и выходят на нужное давление. Закрывают вентиль В₁₀ и с помощью игольчатого вентиля В₁₁ корректируют давление по образцовому манометру (допускается корректировки вентиля В₉). Выдерживают паузу min 30 секунд и замеряют деформации нужных тензодатчиков прибором ЦТМ – 3.

При создании нового давления в коническом аппарате открывают вентиль В₁₀ и включают плунжерный насос, и процесс исследований повторяется в соответствии с программой испытаний.

Можно использовать созданное давление в цилиндрическом аппарате, для конического. Для этого необходимо открыть вентили В₁₀ и В₁₃. Вентили В₆, В₉ и В₁₁ закрытые. С помощью открывания вентиля В₂ жидкость под давлением из цилиндрического аппарата переходит в конический.

Снятые результаты испытаний заносятся в таблицу исходных данных (см. приложение А, табл.1).

После окончания работы стенд отключают от сети, давление в аппаратах сбрасывают до нуля. Все вентили закрывают. Выключают прибор для измерения деформаций ЦТМ – 3. Сливают воду из противня, находящегося под насосом, в случае пропускания сальника при высоких давлениях.

Порядок проведения работы следующий:

- определяют напряжения расчетным путем по уравнениям для цилиндрической оболочки 2.53 и 2.54 (2.81, 2.82), для конических – 2.60, 2.61 (2.84, 2.85), для плоского днища – 2.87, 2.88, эллиптические днища – 2.62  2.65;

- определение напряжений в местах с помощью тензометрирования, используя уравнения 3.1  3.4;

- строят зависимости меридиональных и кольцевых напряжений от давления, полученные экспериментальным и теоретически - расчетным путем;

- определяют величины расхождений теоретических и экспериментальных данных (погрешность) и анализируют их природу.

Результаты расчета теоретических и экспериментальных напряжений сводятся в таблицу по образцу (см. приложение Б, табл. 2).