[16 июня 2015] Новое поколение разрывных испытательных машин

Сотрудниками ООО «ЗИМ Точмашприбор» проведены испытания опытного образца машины ИР-500-1М на соответствие требованиям технических условий, заявленных для машин нового образца.

Сам опытный образец был разработан и изготовлен для проверки новой, уникальной конструкции нагружающего устройства с одним (тянущим двухстороннего действия) гидроцилиндром, расположенным по центру. Стоит отметить, что выпускаемые ООО «ЗИМ Точмашприбор» базовые машины имеют нагружающее устройство с двумя (толкающими одностороннего действия) гидроцилиндрами. В базовом варианте у нагружающего устройства с плунжерными гидроцилиндрами силовая рама разомкнута, и при разрыве образца подвижная часть рамы свободно "летит" вверх и вся энергия разрушения образца через неподвижную часть рамы передается в  виде динамического воздействия на пол. Для восприятия этого воздействия требуется фундамент, к которому крепится нагружающее устройство. Для лабораторий строительство фундамента - дело довольно хлопотное и затратное.

Конструкторским составом завода было предложено решение этой проблемы. У нагружающего устройства с гидроцилиндром двухстороннего действия при разрушении образца динамическая сила замыкается на силовой раме, и динамическое воздействие не передается на пол. Таким образом, нагружающее устройство не требует фундамента, и его можно устанавливать на виброопорах, что и было внедрено в конструкцию серийных образцов испытательной машины ИР-500-1М.

zim-tochmashpribor-ispytatel-nye-mashiny.png    Массовые контрольные, приёмо–сдаточные и сертификационные испытания металлопродукции, при проведении которых определяются стандартные характеристики механических свойств материала (пределы пропорциональности, текучести, прочности и др.), проводятся в основном на испытательных машинах с гидравлическим и сервогидравлическим приводом, позволяющих воспроизводить большие усилия, необходимые при испытаниях высокопрочных образцов из металлов и сплавов. При этом, как правило, испытаниям подвергаются несколько однотипных образцов, изготовленных из одной и той же партии материала. Необходимым условием для успешного проведения таких испытаний является обеспечение идентичности и высокой степени повторяемости заданных режимов испытаний отобранных образцов. Для выполнения этого технические возможности испытательной машины должны обеспечивать:

а) проведение испытаний однотипных образцов из выборки с одной и той же скоростью нагружения и деформирования. Поддержание скорости деформирования образца особенно важно в упругой и упругопластической области диаграммы растяжения. Объясняется это тем, что при постоянной скорости перемещения активного захвата испытательной машины, то есть при одной и той же скорости нагружения, скорости упругого деформирования для машин с различной податливостью и образцов с различной жёсткостью могут отличаться более чем на порядок, что при определении пределов текучести может привести к результатам отличающимся на 15÷20 % от действительных значений [1];

б) возможность в процессе испытания "безударно" переходить с одного параметра управления машиной на другой. Необходимость решения такой задачи связана с тем, что при управлении машиной, например, по деформации и достижении предела измерения датчика деформации, требуется перейти с управления по деформации на управление по перемещению, по которому в дальнейшем будет осуществляться управление машиной вплоть до разрыва образца. При этом, если сигналы управления по деформации и по перемещению в момент перехода будут различаться по величине, то нагрузка на испытываемом образце изменится скачкообразно (ударно) и результаты испытания будут испорчены;

в) отсутствие или минимальную величину "вредных" деформаций образца от изгиба, гарантирующую идентичность испытаний в части центричного приложения нагрузки к образцам.

Перечисленные требования к проведению испытаний образцов из выборки не выполнимы на испытательных машинах, у которых отсутствует следящий привод и аппаратура для регистрации диаграммы растяжения в координатах "нагрузка–деформация образца". На таких машинах (Р, МР, ИР–0 и аналогичных) характеристики механических свойств испытываемого материала определяются из диаграммы "нагрузка–перемещение активного захвата". Это значительно снижает достоверность полученных результатов испытаний, так как в этом случае диаграмма растяжения учитывает не только деформацию испытываемого образца, но и деформацию самого нагружающего устройства (колонн, захватов, траверсы и основания). Использование таких испытательных машин при реализации металлопродукции за рубеж в ряде случаев приносит отечественным предприятиям значительные убытки из–за невозможности проведения на них сертификационных испытаний металлопродукции по требованиям стандартов тех стран, куда эта продукция экспортируется. Все зарубежные стандарты [2, 3, 4, 5] для определения характеристик механических свойств металлов требуют использования диаграммы растяжения в координатах "нагрузка–деформация образца". Вступление России в ВТО ещё больше обострило проблему создания разрывной испытательной машины для массовых контрольных испытаний, удовлетворяющую требованиям зарубежных стандартов на методы испытания металлических материалов.

При разработке новых испытательных машин растяжения серии ИР–1М, выпуск которых освоен заводом «ЗИМ Точмашприбор» и о которых пойдёт речь далее, решалась задача не только успешной реализации всех требований отечественных и зарубежных стандартов на методы испытаний металлов на растяжение, но также получение конкурентоспособного соотношения цены и реализуемых на машинах технических возможностей. Поэтому на новых испытательных машинах используется нагружающее устройство, технология изготовления которого на заводе хорошо отработана, а конструкция проверена в течение длительного периода времени на выпускаемых заводом машинах аналогичного назначения. При выборе системы управления, определяющей в значительной мере технические и метрологические характеристики испытательных машин, предпочтение было отдано аппаратуре фирмы DOLI Elektronik GmbH [6], широко известной в области прочностных испытаний. Существенными аргументами в пользу такого выбора стали высокое качество и надёжность аппаратуры этой фирмы, широкие технические возможности аппаратной части и прикладного программного обеспечения. Работу испытательных машин ИР–1М в следящем режиме обеспечивает электрогидравлический преобразователь, который в соответствии с управляющим электрическим сигналом регулирует давление и расход рабочей жидкости, подаваемой в силовые гидроцилиндры испытательной машины. Принятые при разработке машин технические решения создали условия для реализации требований современных стандартов на методы испытаний материалов на растяжение и обеспечили конкурентоспособное соотношение цена/качество.

Устройство машин рассмотрим на примере машины ИР–500–1М (Рисунок 1а) с номинальной нагрузкой 500 кН. Машина состоит из нагружающего устройства и пульта управления, совмещённого с насосной установкой. Нагружающее устройство машины представляет собой традиционную вертикальную однозонную двухколонную силовую конструкцию, в которой нагружение испытываемого образца осуществляется за счёт перемещения колонн, нижняя часть которых является плунжерами силовых гидроцилиндров испытательной машины. Для уменьшения трения гидроцилиндры выполнены с неуплотнённым штоком, что позволило для измерения нагрузки использовать датчик давления и при этом получить высокую точность измерения действующего на испытываемый образец усилия. Захваты испытательной машины обеспечивают испытания всех типов образцов, предусмотренных ГОСТ 1497, а также и зарубежными стандартами. Крепление захватов выполнено с помощью шарниров – соосное расположение захватов относительно друг друга и, как следствие, центричное приложение нагрузки к испытываемому образцу. Предусмотрена защита нижнего захвата машины от окалины при испытаниях "необработанных" цилиндрических и плоских образцов. Хромированные захваты и колонны нагружающего устройства надёжно защищены от коррозии и придают машине современный эстетичный внешний вид.

Выпускаемый ряд машин содержит десять типоразмеров с предельными нагрузками от 50 до 1000 кН со следующими основными техническими и метрологическими характеристиками:

  • наибольшая воспроизводимая и измеряемая нагрузка растяжения: 50, 100, 150, 200, 250, 300, 400, 500, 600 .и 1000 кН;
  • погрешность измерения нагрузки в диапазонах: от 2 до 100 % наибольшей воспроизводимой и измеряемой нагрузки не более ±0,5 % или ±1,0 % от измеряемой величины; от 0 до 2 % наибольшей воспроизводимой и измеряемой нагрузки не более величины абсолютной погрешности в точке 2 % наибольшей воспроизводимой и измеряемой нагрузки;
  • размах показаний (разность между наибольшими и наименьшими показаниями из трех измерений) при измерении нагрузки не превышает 0,5 % или 1,0 %;
  • вариация показаний (разность между прямым и обратным ходом) не превышает 1 % или 2 %;
  • диапазон скоростей нагружения: от 0,05 до 50 кН/с;
  • диапазон измеряемых деформаций: у датчиков с измерительной базой 25 мм – от 0,05 до 2,5 мм; с измерительной базой 50 мм – от 0,1 до 5 мм; с измерительной базой 100 мм – от 0,2 до 10 мм;
  • погрешность измерения деформации не более ±1,0 % от измеряемой деформации;
  • установочный ход активного захвата не менее 500 мм у машин ИР–600–1М и ИР–1000–1М, у остальных машин – 300 мм;
  • рабочий ход активного захвата не менее 100 мм у всех типоразмеров машин;
  • диапазон измерения перемещений активного захвата: от 0,2 до 100 мм;
  • абсолютная погрешность измерения перемещений не более 100 мкм;
  • погрешность автоматического поддержания параметров нагружения (нагрузки, деформации и перемещения) и скоростей их изменения не более ±5 % от заданных значений.

ispytatel-naya-mashina.jpg

Гидравлическая схема машины с элементами гидропривода приведена на рисунке 2. Известно [7], что гидравлические следящие приводы по своей природе являются существенно нелинейными системами, склоннными к самовозбуждению и возникновению паразитных автоколебаний с устойчивыми амплитудами. Величина амплитуды автоколебаний, приводящих к самовозбуждению гидравлического следящего привода, определяется в основном нелинейной зависимостью расхода рабочей жидкости (масла) через щели управляющего золотника злектрогидравлического преобразователя (в дальнейшем – сервоклапан СК), управляющего гидроцилиндрами ГЦ1 и ГЦ2, от перепада давления на кромках золотника. Для повышения устойчивости привода используется компенсатор давления КД, создающий на сервоклапане СК постоянный небольшой по величине перепад давления. Величина перепада давления может регулироваться в пределах от 1,5 до 3 МПа (устанавливается по манометру). При этом через дросселирующие щели управляющего золотника сервоклапана обеспечивается постоянный расход рабочей жидкости при изменяющемся давлении на его входе и выходе. Такое решение, кроме повышения устойчивости привода, позволило уменьшить зависимость коэффициента передачи привода от расхода рабочей жидкости через золотник и по возможности максимально его увеличить, что, в свою очередь, привело к улучшению метрологических характеристик привода: чувствительности и точности воспроизведения параметров управления (нагрузки, деформации и перемещения). К достоинствам машины следует также отнести малую ёмкость бака насосной установки, одну из важных её характеристик, величина которой определяется тепловым балансом гидропривода в целом и необходимостью ограничения максимальной температуры нагрева масла при работе гидропривода. Основным источником выделения тепла в рассматриваемой гидравлической схеме являются потери вязкого трения масла в дроссельных щелях управляющего золотника сервоклапана СК, при которых происходит преобразование потенциальной энергии напора масла в тепловую энергию. В таких случаях для интенсивного охлаждения рабочей жидкости, как правило, увеличивают ёмкость бака насосной установки и используют принудительное охлаждение, что приводит не только к усложнению машины, но и к её удорожанию. Работа сервоклапана СК постоянно на низком давлении способствует значительному снижению температуры нагрева масла по сравнению с его работой на переменном давлении. Такой режим работы позволил уменьшить ёмкость бака насосной установки до величины 0,1 м3 без применения искусственного охлаждения  и поместить насосную установку и аппаратную часть системы управления испытательной машины в единой конструкции.

ispytatel-naya-mashina,-gidravlicheskaya-sxema.jpg

ГЗ – заливная горловина; Д1, Д2 – датчики перемещения и давления (силы) соответственно; ГЦ1, ГЦ2 – силовые гидроцилиндры; СК – сервоклапан; КД – компенсатор давления; ГР1...ГР3 – гидрораспределители; Т, ДУ – индикаторы температуры и уровня рабочей жидкости соответственно; КП – предохранительный клапан; Н – гидравлический насос; МН – манометр; КО – обратный клапан; Ф1, Ф2 – фильтры; М – приводной электродвигатель.

Эффективность проведения прочностных испытаний в значительной мере определяется техническими возможностями используемой на испытательных машинах системы управления и измерения параметров нагружения (далее – СУИ). Работа СУИ машин серии ИР–1М основана на использовании специализированного широко апробированного и хорошо зарекомендовавшего себя контроллера DOLI EDC 220 [6], предназначенного для управления многоканальными системами с обратной связью по силе, деформации и перемещению и сбора данных с измерительных каналов. Применение контроллера EDC 220 позволило создать качественно новую испытательную машину с техническими и метрологическими характеристиками, не уступающими лучшим европейским образцам и полностью удовлетворяющую требованиям отечественных, зарубежных, европейских и международных стандартов.

Структура СУИ (Рисунок 3), основой которой является контроллер КР, представлена под названием "Управляющий контроллер" и включает в себя, кроме того, расположенные на нагружающем устройстве НУ датчики обратной связи (ДН, ДД, ДП), исполнительные (СК, СГЦ) и управляющие (КК, МС, ПУД) органы испытательной машины. Кратко охарактеризуем основные части системы и их отличительные особенности.

ispytatel-naya-mashina,-sui.jpg

Компьютер КК (компактный компьютер eBOX–3300А–JSK производства компании DM&P Group, Тайвань) имеет процессор с быстродействием 1 ГГц, объём ОЗУ 256 Мбайт, три входа USB и два входа RS–232 для связи с периферийными устройствами.

Монитор МС (сенсорный монитор DTM–16W производства компании Elo Touch Systems, США) в антивандальном исполнении с емкостным экраном размером по диагонали 16 дюймов, разрешением 1366×768 и яркостью 250 кд/м2 имеет интерфейс USB и RS–232.

Контроллер КР – 32 разрядный цифровой контроллер для интеллектуального электропривода с управляющим процессором производительностью 150 MIPS и рабочей частотой 133 МГц, обеспечен интерфейсом USB для связи с компьютером, реализует "безударный" переход с одного параметра управления на другой в процессе испытаний и имеет специальный программный модуль для загрузки пользователем собственной программы испытаний.

Измерительный усилитель УС используется для нормализации и преобразования сигналов тензометрических и трансформаторных датчиков в цифровой вид с помощью АЦП типа напряжение/частота и имеет следующие основные технические характеристики: диапазон программно изменяемого коэффициента усиления около 400, погрешность от нелинейности не более ±0,01 %, температурная погрешность не более 0,01 % на градус К, входное сопротивление не менее 15 МОм.

Цифровой ПИД–регулятор с программным изменением состояния пропорциональной, интегральной и дифференциальной составляющих контура регулирования машины используется для улучшения динамических свойств и увеличения запаса устойчивости СУИ.

Преобразователь ЦАП с коммутатором изменения режима управления машиной обеспечивает преобразование цифрового сигнала в аналоговый сигнал для управления сервоклапаном СК.

Управляющий контроллер EDC 220 поставляется совместно с программным обеспечением, которое хранится в его энергонезависимой памяти и выполняет функции сбора данных с измерительных каналов (частота сбора данных 2,5 кГц), предварительную обработку измерительной информации и автоматизацию процесса управления испытательной машиной. Кроме того, программное обеспечение осуществляет формирование и исполнение управляющих команд на исполнительные органы машины, контроль и исполнение защитных функций, регулировку характеристик привода машины путём настройки коэффициентов ПИД–регуляторов, линеаризацию характеристик измерительных датчиков с целью уменьшения влияния их нелинейности на точность измерения параметров нагружения и др. Контроллер EDC 220 имеет аналоговый выход по напряжению ±10 В для управления приводом испытательной машины, цифровые линии ввода/вывода на уровне 24 В для управления захватами, автоматикой машины и защитными устройствами, слоты расширения для установки плат измерительных усилителей.

Датчик нагрузки ДН. В машинах (Рисунок 1а) для измерения усилия применяется тензопреобразователь давления МD–40 [8], обеспечивающий в диапазоне рабочих давлений до 25 МПа следующие основные технические характеристики: разрешающую способность 0,01 %, вариацию показаний 0,05 % и погрешность от нелинейности ±0,15 % в интервале температур до +200 0С.

В машинах (Рисунок 1б) для измерения усилия применяется датчик силы – стальной стержень (шпилька) на цилиндрической поверхности которого наклеены тензометрические резисторы (датчики), собранные по схеме моста Уитстона. Каждый тензометрический датчик установлен на 90º по отношению к предыдущему по окружности поперечного сечения и сориентирован под прямыми углами к предыдущему датчику относительно центра сечения. Такой датчик силы нечувствителен к изгибной нагрузке, приложенной к нему.

Датчики деформации ДД тензорезисторного типа с чувствительным элементом в форме упругой балочки равного сопротивления изгибу навешиваются на испытываемый образец вручную: напряжение питания 6 В, коэффициент передачи 2 мВ/В, погрешность измерения ±1 % в диапазоне от 2 до 100 % предела измерения используемого датчика.

Датчик перемещения ДП (магнитострикционный датчик линейных перемещений BTL5 [9]) имеет диапазон измерений 300 мм, номинальное выходное напряжение 10 В, погрешность от нелинейности ±0,025 % от верхнего предела диапазона измерений.

Гидроцилиндры СГЦ. В конструкции нагружающего устройства машин (Рисунок 1а) гидроцилиндры представляют собой замкнутую полость под плунжерами (колоннами машины), образованную специальными стаканами и цилиндрами. Штоки цилиндров не уплотнены, имеющие место утечки рабочей жидкости поступают обратно в бак насосной установки. Для исключения подтёков рабочей жидкости на основании испытательной машины используются специальные кожухи с гофрированной поверхностью.

В конструкции нагружающего устройства машин (Рисунок 1б) применен уплотненный одноштоковый гидроцилиндр двойного действия. При перемещении уплотненного поршня возникает значительная сила трения, поэтому применен датчик силы, непосредственно измеряющий нагрузку на образце (прямое измерение).

Сервоклапан СК (пропорциональный гидравлический распределитель прямого действия серии DLHZO [10]) укомплектован датчиком положения управляющего золотника и имеет следующие основные технические характеристики: ток управления от 4 до 20 мА, погрешность ±0,1 %, гистерезис 0,2 %, температурная погрешность 1 % в интервале температур до 400 С, интерфейс связи RS–232.

Пульт дистанционного управления ПУД используется для управления гидравлическими захватами и траверсой испытательной машины. Управление захватами и траверсой может производиться также с монитора МС с помощью виртуального ПУД, диалоговое окно которого выводится на экран монитора после нажатия соответствующей кнопки основного меню приложения.

СУИ представляет собой замкнутую систему автоматического регулирования с обратной связью по нагрузке, деформации или перемещению и систему измерения и визуализации контролируемых параметров. Управление работой СУИ, а значит и работой испытательной машины в целом, осуществляется из приложения, обеспечивающего при помощи сенсорного указателя монитора доступ ко всем параметрам и ресурсам испытательной машины (возможно управление работой машины с помощью манипулятора "мышь"). Работа СУИ заключается в следующем. Контроллер КР формирует задающий сигнал в цифровом виде, который сравнивается с нормированным усилителем УС и преобразованным АЦП в цифровой вид сигналом обратной связи того датчика, по которому в данное время осуществляется управление работой машины. Разностный цифровой сигнал после перепроектирования его по состоянию в ПИД–регуляторе с помощью преобразователя ЦАП преобразуется в аналоговый сигнал, который управляет работой сервоклапана СК

Для повышения стабильности работы сервоклапана его управляющий золотник охвачен отрицательной обратной связью, образованной датчиком ДПЗ и усилителем, размещённым в одном из слотов расширения "Управляющего контроллера". Связь "Управляющего контроллера" с компьютером КК осуществляется через порт RS–232. Монитор МС, предназначенный для управления испытательной машиной, отображения информации о величине измеряемых параметров и графического представления зависимостей параметров нагружения, подключен к компьютеру КК по сети Ethernet. Программное обеспечение верхнего уровня работает под управлением ОС Windows. Использование общеизвестного стандартного интерфейса не требует специальной подготовки оператора и способствует сокращению сроков освоения управления машиной. Разработанная специалистами завода испытательных машин программа, установленная на компьютере КК, предназначена для отображения принятых от контроллера данных о текущих значениях параметров управления в числовых значениях или в виде графиков и осуществляет расчёт характеристик механических свойств материала по ГОСТ 1497 и др. или хранит полученные данные на внешнем информационном носителе с целью дальнейшего использования.

Программа высшего уровня имеет доступ к программному обеспечению для проведения настройки калибровочных коэффициентов при линеаризации амплитудных характеристик измерительных датчиков и параметров ПИД–регуляторов. Управление испытательной машиной осуществляется путём передачи контроллеру команд о величине скоростей нагружения и деформирования, контроля установленных значений параметров управления и прекращения испытания при их превышении. Накопленная контроллером информация используется компьютером для построения в режиме реального времени графиков "нагрузка – деформация образца", "нагрузка – перемещение активного захвата" и "нагрузка, деформация образца, перемещение активного захвата – время", а также для оформления протоколов испытания. Написание и редактирование текста протоколов испытания производится с помощью виртуальной клавиатуры, выводимой на экран монитора с помощью панели основного меню приложения.

Высокая точность воспроизведения машинами ИР–1М режимов испытаний, в том числе скоростей нагружения и деформирования, гарантирует успешное проведение приёмо–сдаточных и сертификационных испытаний материалов и обеспечивает выполнение требований современных стандартов на методы испытания металлопродукции. Решённая задача автоматического определения основных механических характеристик материала способствует повышению производительности труда и освобождает персонал заводских лабораторий от рутинной работы по обработке диаграмм растяжения вручную, как это делается на разрывных машинах прежних лет выпуска.

Машины ИР–1М прошли Государственные приёмочные испытания и включены в Государственный реестр средств измерений РФ за №58877–14, свидетельство об утверждении типа средства измерения RU.C.28.042.A №55512.

Испытательная машина ИР–500–1М, в 2014 году стала лауреатом Всероссийского конкурса программы "100 лучших товаров России". По результатам конкурса коллектив ООО "ЗИМ Точмашприбор", представивший машину на конкурс, награждён дипломом победителя за высокое качество производимой продукции с предоставлением декларации качества, позволяющей заводу в течение двух лет использовать логотип программы "100 лучших товаров России"

Список литературы:

  1. Яблонко В. Я. Современные тенденции в развитии машин для статических и повторно–статических испытаний//Заводская лаборатория. 1975. №1. С. 115–121.
  2. ASTM E8 "Стандартные методы испытания металлических материалов на растяжение". США.
  3. DIN 50145 "Испытание на растяжение. Испытание металлов". Германия.
  4. EN 10002–1 "Металлические материалы. Испытание на растяжение. Метод испытания".  Европейский стандарт.
  5. ISO 6892 "Материалы металлические. Испытание на растяжение". Международный стандарт.
  6. www.doli.de Управляющий контроллер DOLI EDC 220.
  7. Лещенко В. А. Гидравлические следящие приводы для автоматизации станков. Изд. машиностроительной литературы. М. 1962. С. 70–181.
  8. www.oooproma.ru Преобразователи давления серии MD.
  9. www.balluff.de. Датчики линейных перемещений BTL5.
  10. www.atos.com. Пропорциональные распределители прямого действия DLHZO.

ООО «ЗИМ ТОЧМАШПРИБОР» 
Все права защищены © 2018


Яндекс.Метрика