Współczesne maszyny

wytrzymałościowe

Marcin Graba

POLITECHNIKA ŚWIĘTOKRZYSKA W

KIELCACH

WYDZIAŁ MECHATRONIKI I BUDOWY

MASZYN

KATEDRA PODSTAW KONSTRUKCJI MASZYN

www.tu.kielce.pl/~mgraba Copyright 

2007 Marcin Graba – Politechnika Świętokrzyska

w Kielcach

www.tu.kielce.pl/~mgraba Copyright 2007 Marcin Graba – Politechnika Świętokrzyska

w Kielcach

WSPÓŁCZESNE MASZYNY WYTRZYMAŁOŚCIOWE

Cel ćwiczenia

•Rodzaje maszyn wytrzymałościowych
•Możliwe do wykonanie rodzaje badań
•Rejestracja sygnałów
•Błąd pomiaru
•Charakterystyka maszyny UTS
•Charakterystyka maszyny MTS
•Programowanie sterownika MTS
•Wykonanie ćwiczenia

www.tu.kielce.pl/~mgraba Copyright 2007 Marcin Graba – Politechnika Świętokrzyska

w Kielcach

WSPÓŁCZESNE MASZYNY WYTRZYMAŁOŚCIOWE

Rodzaje maszyn

wytrzymałościowych

• Maszyny elektryczne (UTS, INSTRON)

- urządzeniem napędzającym jest silnik elektryczny

- przeznaczone do badań statycznych (jednoosiowa próba
rozciągania,
WIN, całka J)

- możliwie duży zakres siły i przemieszczenia

- mała częstotliwość w przypadku badań dynamicznych

• Maszyny hydropulsacyjne (MTS)

- urządzeniem napędzającym jest pompa olejowa
(elektrohydrauliczny
wzbudnik drgań - EWD)

- przeznaczone do badań statycznych jak i dynamicznych
(próby
rozciągania, odporności na pękanie, zmęczenie materiałów)

- zakres przemieszczenia i siły zależy od częstotliwości pracy

• Młoty Charpy’ego i młoty spadowe

www.tu.kielce.pl/~mgraba Copyright 2007 Marcin Graba – Politechnika Świętokrzyska

w Kielcach

WSPÓŁCZESNE MASZYNY WYTRZYMAŁOŚCIOWE

Rejestracja sygnałów

• Pełna komputeryzacja pomiarów
• Sygnał z maszyny przekazywany jest za

pomocą karty analogowo-cyfrowej (AC) do
komputera (wielkością fizycznym – siła,
przemieszczenie, odkształcenie – przypisane
są

odpowiednie

poziomy

napięcia,

odpowiadające poziomom na karcie AC

• Stosowane karty AC – 12 bitowe (4096

poziomów dla danego zakresu napięcia) oraz
16 bitowe (65536 poziomów dla danego
zakresu napięcia)

• Możliwość przekazania sygnału na port

drukarki

• Zapis plików z pomiarami w postaci

tekstowej lub binarnej w celu dalszej obróbki

• Każdy pomiar obarczony jest błędem
• Rzadko uzyska się wartość wielkości mierzonej, która

wcale nie różni się od zadanej

• Błąd bezwzględny N – różnica algebraiczna pomiędzy

rezultatem pomiaru mierzonej wielkości X i jej
rzeczywistą wartością N, wyrażona w jednostkach
miary

• Błąd względny



N

– wartość błędu bezwzględnego

wyrażonego

w

jednostkach

mierzonej

wielkości

odniesiona do wartości rzeczywistej wielkości N,
wyrażona w procentach

www.tu.kielce.pl/~mgraba Copyright 2007 Marcin Graba – Politechnika Świętokrzyska

w Kielcach

WSPÓŁCZESNE MASZYNY WYTRZYMAŁOŚCIOWE

Błąd pomiaru

N

X

N







%

100







N

N

N



%

100







N

N

N



www.tu.kielce.pl/~mgraba Copyright 2007 Marcin Graba – Politechnika Świętokrzyska

w Kielcach

WSPÓŁCZESNE MASZYNY WYTRZYMAŁOŚCIOWE

Charakterystyka maszyny UTS

• urządzeniem napędzającym jest silnik

elektryczny

• przeznaczone do badań statycznych

(jednoosiowa próba rozciągania, WIN,
całka J)

• możliwie

duży

zakres

siły

i

przemieszczenia

• mała częstotliwość w przypadku badań

dynamicznych

• maksymalna siła około 100kN
• zakres przemieszczenia około 500mm –

ulega

zmniejszeniu

w

przypadku

założenia uchwytów

www.tu.kielce.pl/~mgraba Copyright 2007 Marcin Graba – Politechnika Świętokrzyska

w Kielcach

WSPÓŁCZESNE MASZYNY WYTRZYMAŁOŚCIOWE

Charakterystyka maszyny MTS

• urządzeniem napędzającym jest pompa

olejowa elektrohydrauliczny wzbudnik drgań
- EWD)

• przeznaczone do badań statycznych jak i

dynamicznych (próby rozciągania, odporności
na pękanie, zmęczenie materiałów)

• zakres przemieszczenia i siły zależy od

częstotliwości

pracy

–

charakterystyka

częstotliwościowa

• maksymalna siła około 250kN
• zakres przemieszczenia około 100mm –

ulega zmniejszeniu w przypadku założenia
uchwytów

www.tu.kielce.pl/~mgraba Copyright 2007 Marcin Graba – Politechnika Świętokrzyska

w Kielcach

WSPÓŁCZESNE MASZYNY WYTRZYMAŁOŚCIOWE

Charakterystyka maszyny

MTS

• poziom

obciążenia

lub

przemieszczenia

zależy od parametrów wkładki;

• możliwość sterowania siłą, przemieszczeniem

i odkształceniem

• maksymalna częstotliwość pracy przy małym

zakresie ruchu trawersy 30Hz (50Hz lub
100Hz dla drugiej maszyny o nacisku 100kN i
przemieszczeniu 10mm )

• możliwość

wykonania

szeregu

badań

doświadczalnych w zależności od potrzeb;

www.tu.kielce.pl/~mgraba Copyright 2007 Marcin Graba – Politechnika Świętokrzyska

w Kielcach

WSPÓŁCZESNE MASZYNY WYTRZYMAŁOŚCIOWE

Maszyna MTS - EWD

Elektrohydrauliczny wzbudnik
drgań
1-tłoczysko

2-

zasilanie,

3-

obudowa serwozaworu, 4-dolna
część

tłoczyska,

5-komora

cylindra, 6-tłok, 7,8, uszczelnienia

Zmiany przemieszczenia tłoczyska w czasie
powodowane są zmianami elektrycznego
sygnału sterującego. Specjalny serwozawór
sterowany elektromagnetycznie umożliwia
przetłaczanie dużych ilości oleju pod
ciśnieniem rzędu 20MPa do komór cylindra
po obu stronach tłoka. Różnica ciśnień po
obu

stronach

tłoka

wywołuje

siłowe

oddziaływanie

elementu

wykonawczego

wzbudnika na badany obiekt (dynamiczne
wymuszenie drgań obiektu), zaś różne
objętości oleju po obu stronach tłoka są
przyczyną

przemieszczeń

elementu

wykonawczego (kinematyczne wymuszenie
drgań).

www.tu.kielce.pl/~mgraba Copyright 2007 Marcin Graba – Politechnika Świętokrzyska

w Kielcach

WSPÓŁCZESNE MASZYNY WYTRZYMAŁOŚCIOWE

Maszyna MTS –

charakterystyka

częstotliwościowa

0.1

1

10

100

1000

0.01

0.1

1

10

100

50 [kN]

25 [kN]

0 [kN]

p

rz

e

m

ie

sz

cz

e

n

ie

t

ło

c

zy

sk

a

[

m

m

]

częstotliwość [Hz]

www.tu.kielce.pl/~mgraba Copyright 

2007 Marcin Graba – Politechnika Świętokrzyska

w Kielcach

WSPÓŁCZESNE MASZYNY WYTRZYMAŁOŚCIOWE

Maszyna MTS – pętla

sprzężenia zwrotnego

rzeczywisty jest mierzony w czasie
rzeczywistym, możliwe jest więc
ich porównanie. Jeśli występuje
między

nimi

różnica

(to

porównanie wytworzenie sygnału
błędu

wykonuje

węzeł

porównawczy; ta organizacja PSZ
powoduje taką reakcję elementu
wykonawczego, by powstały błąd
sprowadzić

do

wartości

minimalnej. Istotą opisywanego
układu

sterowania

jest

takie

oddziaływanie

na

układ

wykonawczy

sterowania

(na

siłownik

hydrauliczny

poprzez

EWD), by jego stan był zgodny z
sygnałem zadanym.

Aby sterować w czasie rzeczywistym dynamicznymi własnościami
stanowiska badawczego (poprzez EWD) wykorzystuje się podstawową
metodę układów automatyki, tzw. pętlę sprzężenia zwrotnego (PSZ).
Ogólnie układ taki działa poprzez porównanie sygnału wyjściowego
informującego o wybranym stanie obiektu z sygnałem wejściowym
(zadanym). Sygnał zadany generowany jest najczęściej w układach
cyfrowych. Sygnał

www.tu.kielce.pl/~mgraba Copyright 2007 Marcin Graba – Politechnika Świętokrzyska

w Kielcach

WSPÓŁCZESNE MASZYNY WYTRZYMAŁOŚCIOWE

Maszyna MTS – sterowanie

siłownikiem MTS

www.tu.kielce.pl/~mgraba Copyright 2007 Marcin Graba – Politechnika Świętokrzyska

w Kielcach

WSPÓŁCZESNE MASZYNY WYTRZYMAŁOŚCIOWE

Maszyna MTS – programowanie

sterownika

Tworzenie programów dla sygnałów sterujących oparte w
systemie MTS na składaniu złożonego przebiegu z
elementarnych fragmentów nazywanych segmentami.
Przyjęto następujące zasady:

• nie definiujemy parametrów początkowych segmentu,

(stan początkowy) wynikają one bądź z bieżącego
położenia sterowanego elementu bądź są to końcowe
parametry poprzedniego segmentu,

• definiujemy parametry końcowe segmentu (stan

końcowy),

• wybieramy postać segmentu (sposób przejścia ze

stanu początkowego do stanu końcowego).

Segment może mieć postać:
- liniową (Ramp),
- nieliniową (harmoniczny, połowa okresu, Haversine),
- stałą (Hold),

www.tu.kielce.pl/~mgraba Copyright 2007 Marcin Graba – Politechnika Świętokrzyska

w Kielcach

WSPÓŁCZESNE MASZYNY WYTRZYMAŁOŚCIOWE

Maszyna MTS – programowanie

sterownika – blok liniowy

gdzie WPK, WPP to odpowiednio
współrzędne punktu końcowego i
współrzędne punktu początkowego
wyrażone w skali względnej (PPZW),



t

czas

wyrażony

w sekundach,



(przyrost

sygnału

sterowanego / przyrost czasu), PZW jak
wyżej. Dla przykładu pokazanego na
rysunku

2.11a

wyznaczono:

WPK = 10 [%], WPP = 2 [%],



t = 7-

2 = 5 [s], Rate = (10-2) / 5 = 1,6 [%/s],
Level = 10 [%]

Programując liniową zmianę sterowanego sygnału podajemy dwie
informacje:
1) pożądany poziom stanu końcowego (Level) w PPZW [%],
2) prędkość (Rate) tj. pochylenie linii segmentu wyrażone w
PPZS[%]/czas[s] wyznaczoną wg jednego ze wzorów:

















s

PZW

t

WPP

WPK

Rate

%



www.tu.kielce.pl/~mgraba Copyright 2007 Marcin Graba – Politechnika Świętokrzyska

w Kielcach

WSPÓŁCZESNE MASZYNY WYTRZYMAŁOŚCIOWE

Maszyna MTS – programowanie

sterownika – blok nieliniowy

Level = 25 [%],

zaś

Frequency = 2,5 [Hz]

bo

segment

definiowany jest dla połowy okresu
przebiegu harmonicznego tzn.
0,5 1/f = (0,225-0,025) [s],
stąd f = 2,5 [Hz] (wpisujemy w pozycji
Time=2,5)

Programując nieliniową zmianę sterowanego sygnału podajemy

dwie informacje:

1) pożądany poziom stanu końcowego (Level) w PPZW [%],
2) częstotliwość f wyrażoną w [Hz] (wpisujemy w pozycji Time MP).

www.tu.kielce.pl/~mgraba Copyright 2007 Marcin Graba – Politechnika Świętokrzyska

w Kielcach

WSPÓŁCZESNE MASZYNY WYTRZYMAŁOŚCIOWE

Maszyna MTS – programowanie

sterownika – blok stały

Time = (15-2) s= 13 [s].

Programując stały segment sterowanego sygnału podajemy tylko

czas trwania bieżącej wartości sygnału:

1) Time wyrażony w sekundach

www.tu.kielce.pl/~mgraba Copyright 2007 Marcin Graba – Politechnika Świętokrzyska

w Kielcach

WSPÓŁCZESNE MASZYNY WYTRZYMAŁOŚCIOWE

Wykonanie ćwiczenia -

sporządzenie sprawozdania -

część I

• Zaprogramować program liniowy (napisać program dla

maszyny MTS)

• Zarejestrować jego przebieg
• Kolejne segmenty opisać liniami prostymi o równaniu

y=ax+b w celu uzyskania przebiegu teoretycznego

• Dla czasu próbkowania podanego w rejestracji przebiegu

rzeczywistego wykreślić przebieg teoretyczny

• Wyznaczyć błąd względny i bezwzględny
• Sporządzić

wykresy

sygnałów

rzeczywistego

i

teoretycznego oraz wykresy błędów w całej dziedzinie

czasu

• W tabeli dla punktów charakterystycznych i miejsc

zerowych zarejestrowanego sygnału podać wartości

rzeczywistą, teoretyczną i wartości obu błędów

• Wnioski

www.tu.kielce.pl/~mgraba Copyright 2007 Marcin Graba – Politechnika Świętokrzyska

w Kielcach

WSPÓŁCZESNE MASZYNY WYTRZYMAŁOŚCIOWE

Wykonanie ćwiczenia -

sporządzenie sprawozdania -

część II

• Zaprogramować program nieliniowy (napisać program dla

MTS)

• Zarejestrować jego przebieg z różnym czasem próbkowania
• Zestawić wykresy zarejestrowane w trakcie próby i

porównać je

• Dla najdokładniej odwzorowanego sygnału opisać jego

przebieg równaniem typu y=B+A(sint+)

• Na podstawie wyznaczonego równania odtworzyć jego

przebieg i sporządzić wykres sygnału teoretycznego

• Wyznaczyć błąd względny i bezwzględny
• Sporządzić oraz wykresy błędów w całej dziedzinie czasu

dla trzech prób

• W tabeli dla punktów charakterystycznych i miejsc

zerowych zarejestrowanego sygnału podać wartości

rzeczywistą, teoretyczną i wartości obu błędów

• Wnioski