Изменение напряжений в витках гибкого стержня при навивке на барабан Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

Фидровская Н. Н., д-р техн. наук, проф., Ломакин А. А., аспирант Украинская инженерно-педагогическая академия

ИЗМЕНЕНИЕ НАПРЯЖЕНИЙ В ВИТКАХ ГИБКОГО СТЕРЖНЯ ПРИ НАВИВКЕ

НА БАРАБАН

DelGado@bk.ru

В статье приведены результаты эксперимента, по определению изменения напряжений в витках гибкого стержня при навивке на барабан, проведенного в лабораторных условиях, и сделано сравнение полученных результатов.

Ключевые слова: гибкий стержень; барабан; напряжения; ZET Lab; витки; тензодатчики; сигнал; экспериментальная установка.

1. Введение

Тяговый канат относится к числу наиболее нагруженных и ответственных элементов грузоподъемных механизмов. Проволоки каната испытывают сложный комплекс статических и динамических напряжений: растяжение, изгиб, кручение, контактные напряжения, что в значительной мере снижает их долговечность. Однако существующие методики проектирования предусматривают лишь расчет каната на растяжение при условии его статической нагрузки, но не учитывается действие напряжения изги-ба.Для более точного выбора канатов необходимо точное определение нагрузок, воспринимаемых канатом при навивке на барабан, во время подъема груза.

2. Основная часть

С целью определения напряжений в витках гибкого стержня при навивке на барабан нами был разработан экспериментальный стенд (рис.1, 2).

На гладкий барабан, который имеет следующие размеры: диаметр 150мм, длина 200мм

толщина стенки 1,8мм наматывался гибкий алюминиевый стержень диаметром 3,5 мм, к которому подвешен груз. С внешней стороны навиваемого стержня наклеен датчик, который измеряет деформацию с помощью устройства ZET 210[2].

Модуль ZET 210 предназначен для измерения параметров сигналов в широком частотном диапазоне (с частотой дискретизации до 400 кГц), которые поступают от разных преобразователей. Цифровой (разъем ДВ -15) и аналоговый выходы (разъем ДВ -25) могут быть использованы в цепях управления разных исполнительных механизмах. В комплект ZET 210 входит базовое программное обеспечение ZET Lab.

Сценарий записи (каналы, частота дискредитации, режим записи и т.д.) задается с компьютера программный регистратор [2]. С помощью ручного привода гибкий стержень навивается на барабан. Высота подъема составляла 1,8 м, нагрузка 140Н [1].

В общем виде экспериментальная установка имеет вид

Рис. 1. Общий вид экспериментальной установки с регистратором напряжений 7БТ 210 1 - измерительные тензорезистор , 2 - алюминиевый гибкий стержень диаметром 3,5 мм, 3 - канатный барабан, 4 - опорная рама, 5 - муфта, 6 - приводная ручка, 7 - редуктор, 8 - 7БТ 210, 9 - базовое программное обеспечение 7БТЬаЪ

Рис. 2 . Алюминиевый гибкий стержень (расположение измерительных тензоризисторов)

Примененная схема подключения тензорезисторов Подключен один активный тензорезистор, двухпроводная схема подключения. Применима при малых изменениях температуры. Без термокомпенсации. х1 выход. Изгиб также влияет на измерения [3, 4].

Одиоосееа» деформация ^лня^итпимм)

Рис. 3 Схема подключения тензорезисторов

Полученные результаты

II График таблица | Статистика |

Время 0.000000 С СИГИ: ЭЛЗ-0.438677 МВ

10 5 0

Я

-_ ___

I

7

у

/

1

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 с

График | Таблица | Статистика Время 792.1 49038 С СигналЗ 0.000000 МВ

10

5

0

* "Г""

-5 850 00 Л

1л— 950 1000 1050 Ной ТЗГ^ 1200 1250 1300

СигналЗ 0.837205 мВ

--

я 1,, 1

;_

1

1

/

/

=

150 200 250

О10=17 кг. ,*п

~555в5

График | Таблица | Статистика]

8.635045 С СигналЗ 0.000000 МВ

\

ч

—

У

J

1/

550 600 650

б

а

д

Рис. 4. Напряжения в навиваемом на барабан гибком стержне, полученные экспериментальным путем

с использованием АЦП 7е1ЬаЪ 210

Напряженность навиваемого на барабан гибкого стержня

Таблица 1

Точка на графике Выходное напряжение (мВ)

Опыт 1 Опыт 2 Опыт 3 Опыт 4 Опыт 5

точка отсчета -0,12 -0,4 0,8 -0,6 0,2

точка контакта * 11,4 10,35 11,9 12,3 11,25

точка на витке №2 7,2 7,25 8,05 8,1 7,5

точка на витке №3 6,7 6,7 7,52 7,2 6,95

* точка - тело датчика

Для выбранной схемы подключения [4].

е0 = (Е/4)-К, -е0 (1)

из данной формулы выразим деформацию £0 для точки контакта

_ -£" ~ I ~ Ь

£0 15,2-10 ^ „ „ 3

-= 2,9• 103 мм (3)

4 7

5,2

здесь Ьд - длина тела датчика Ьд = 0,52 мм

11,4

- = 15,2 -10~3 мм (2)

0 (Е/4)-К, (1500/4)-2,0

где е0 - напряжение в испытуемом образце по- " ;

Е = 0,7-10 Н/.

лученное экспериментальным путем [мВ], Е - питание моста Е = 1,5 В = 1500 мВ

тогда напряжение в точке контакта а = Е-£0 = 0,7-105 • 2,9-10~3 = 204,6 Н/мм2 (4) где Е - модуль Юнга (упругости) алюминия

мм

Используя программу расчетов Mathcad [5], определим остальные деформации и напряжения

К, = 2

, - коэффициент тензо-чувствительности (табл. 2). Найдем абсолютную деформацию:

Рерультаты расчетов

Таблица 2

Точка на графике Опыт 1 Опыт 2 Опыт 3

деформ. мест. (мм) деформ. абсол. (мм) напряж. (Н/мм2) деформ. мест. (мм) деформ. абсол. (мм) напряж. (Н/мм2) деформ. мест. (мм) деформ. абсол. (мм) напряж. (Н/мм2)

точка отсчета -0,1610-3 -0,3 Ю"3 2,2 -0,5310-3 0,110-3 7,1 110-3 0,210-3 13,5

точка контакта * 15,210-3 2,910-3 204,6 13,810-3 2,610-3 186 15,910-3 310-3 214

точка на витке №2 9,610-3 1,8510-3 129 9,610-3 1,8610-3 130 10,710-3 210-3 144

точка на витке №3 8,93'10-3 1,710-3 120,2 9,1 10-3 1,7510-3 122,5 10,010-3 1,910-3 135

* точка - тело датчика

Точка на графике Опыт 4 Опыт 5

деформ. мест. (мм) деформ. аб-сол. (мм) напряж. (Н/мм2) деформ. мест. (мм) деформ. абсол. (мм) напряж. (Н/мм2)

точка отсчета -0,810-3 -0,1510-3 10,8 0,27'10-3 0,52'10-4 3,63

точка контакта * 16,410-3 3,1510-3 220,8 1510-3 3,Г10'3 202

точка на витке №2 10,810-3 2,0810-3 145,4 1010-3 1,9210-3 134

точка на витке №3 9,610-3 1,8510-3 129,2 9,2610-3 1,7810-3 124

* точка - тело датчика

По полученным результатам строим графики напряжений в витках гибкого стержня (рис. 5).

Рис. 5. Графики напряжег

3. Вывод

Проанализировав полученные графики (рис. 5) видно, что максимальное напряжение гибкого стержня при навивке на барабан приходится на точку контакта. Падение напряжения между точкой контакта и началом второго витка составляет приблизительно 34%, а между точкой контакта и началом третьего витка составляет приблизительно 40%.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Александров М.П. Грузоподъемные машины. М. :Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана -Высшая школа, Москва 2000. 552с.

в витках гибкого стержня

2. Фидровская Н. Н., Варченко И. С. Исследование напряжений в стене канатного барабана экспериментальным методом // Восточно - Европейский журнал передовых технологий.-2010. №5. с. 60 - 63.

3. Немец И. Практическое применение тен-зорезисторов. Пер. с чешск., М.: Энергия, 1970. 144 с. Выпуск 393.

4. Формирование тензометрических мостовых схем

http: //www. zetlab. ru/support/article s/tenzo/tenzo_sh emi.php. (дата обращения 18.02.2014)

5. Гурский Д. А., Турбина Е. С. Вычисления в Mathcad 12.- СПб.: Питер, 2006. 544 с.: ил.