stanowisko do badania zmęczenia cieplnego metali i stopów żelaza

Stanowisko do badania zmęczenia

cieplnego metali i stopów żelaza

Zakopane, czerwiec 2012r.

Instytut Tele- i Radiotechniczny

Centrum Systemów Teleinformatycznych i Aplikacji Sprzętowych

Zakład Piezoelektroniki i Ultradźwięków

Autorzy:

Piotr Gawryś

Krystian Król

Łukasz Krzemiński

Cele i założenia projektuCele i założenia projektu

Stanowisko do badania zmęczenia cieplnego metali i stopów żelaza

• Znaczenie badań zmęczenia cieplnego metali– powszechność stosowania metali w aplikacjach narażonych na udary

cieplne oraz znaczne zmiany temperatur

– znaczenie żeliw oraz ich stosunkowo niska odporność zmęczeniowa

– możliwość modyfikacji składu stopowego żeliw w celu poprawy ich właściwości mechanicznych

• Cele budowy stanowiska badawczego

– badanie wpływu modyfikacji składu chemicznego i procesu obróbki na parametry wytrzymałościowe

– badanie długoterminowych zmian właściwości materiału pod wpływem zmęczenia cieplnego

– określenie zjawisk i procesów zachodzących w metalach pod wpływem stresów temperaturowych oraz oddziaływania sił zewnętrznych

Badania cieplnej wytrzymałości zmęczeniowejBadania cieplnej wytrzymałości zmęczeniowej

Opracowanie nowej generacji ultradźwiękowych układów drgających do energooszczędnych technologii – Etap II


• budowa uchwytu pomiarowego

1 – tor prądowy grzania

2 – tor sprężonego powietrza (chłodzenia)

3 – uchwyty chłodzone cieczą

4 – próbka rurowa

5 – belka sztywna

6 – trawersa

• cykl pomiarowy

- grzanie próbki poprzez przepływ prądu do zadanej wartości

- chłodzenie próbki poprzez przepływ sprężonego powietrza

Wymagania projektoweWymagania projektowe



• konstrukcja ramy pomiarowej realizująca przyjętą metodę pomiarową w zakresie temperatur grzania do 850°C

• realizacja czterech trybów pracy

• możliwość zdalnej kontroli, monitorowania i rejestracji przebiegu badań

• zastosowanie struktury rozproszonej układu kontrolno – pomiarowego

• spełnienie wymagań dyrektyw i norm zharmonizowanych w celu zapewnienia wymaganego poziomu bezpieczeństwa użytkowania

• zastosowanie autonomicznego układu sterowania zapewniającego bezpieczeństwo działania stanowiska

• możliwość zwiększenia wydajności prądowej zasilacza do 800A

• możliwość zwiększenia funkcjonalności stanowiska poprzez dodanie funkcji generowania profilu obciążenia próbki w trakcie cyklu pomiarowego

Realizacja trybów pracy stanowiska badawczego Realizacja trybów pracy stanowiska badawczego



• pomiar wydłużenia próbki zamocowanej pomiędzy unieruchomionym i swobodnym uchwytem - rejestracja wydłużenia, temperatury, rezystywności, numeru i długości cyklu

• pomiar naprężeń próbki zamocowanej pomiędzy unieruchomionymi uchwytami - rejestracja naprężeń, temperatury, rezystywności, numeru i długości cyklu

• pomiar naprężeń próbki zamocowanej pomiędzy unieruchomionymi uchwytami z wprowadzonym wstępnym naprężeniem ściskającym

- rejestracja naprężeń, temperatury, rezystywności, numeru i długości cyklu

• pomiar naprężeń próbki zamocowanej pomiędzy unieruchomionymi uchwytami z wprowadzonym wstępnym naprężeniem rozciągającym- rejestracja naprężeń, temperatury, rezystywności, numeru i długości cyklu

Konstrukcja ramy pomiarowejKonstrukcja ramy pomiarowej



A

B

C

D

E

F

A – Słupy prowadzące

B – Belki stałe

C – Belka nieważka ( ułożyskowana na słupach z przeciwwagą )

D – Uchwyty próbki ( kasowanie luzów, chłodzenie)

E – Przetwornik wydłużenia próbki

(10mm, d<1μm)

F – Przetwornik naprężeń ( siły )

Budowa układu kontrolno - pomiarowegoBudowa układu kontrolno - pomiarowego



• Elementy układu kontrolno – pomiarowego

- układ zasilania z obwodami bezp.

- układ grzania próbki

- układ chłodzenia uchwytu

- układ chłodzenia próbki

- układ sterowania PLC

- system pomiarowy

- przełącznik Ethernet

- komputer(y) PC

- sygnalizator

• Kanały pomiarowe

1 – tor pomiaru temperatury

2 – tor pomiaru rezystywności

3 – tor pomiaru naprężeń (siły)

4 – tor pomiaru wydłużenia

Budowa systemu pomiarowegoBudowa systemu pomiarowego



Budowa systemu kontrolnegoBudowa systemu kontrolnego



Komputer klasy PC zoprogramowaniem

kontrolno - pomiarowym

Sterownik PLC z funkcjąinterfejsu sieciowego


monitorującym


monitorującym

SD

8000HP J4110A

ProCurve

Eth

ern

et

Eth

ern

et

MO

DB

US

TC

PM

OD

BU

ST

CP

Kontrola parametrówchłodzenia

Kontrola temperaturyczujników

pomiarowych

Kontrola systemubezpieczeństwa i

dostepu

Sygnalizacjaparametrów i stanu

Ethernet

TCP

• Komputer sterujący PC

- konfiguracja parametrów pomiaru

- wybór trybu pomiarowego

- rejestracja wyników

- uruchomienie i zatrzymanie badania

• Sterownik PLC

- sterowanie obwodami bezpieczeństwa

- utrzymanie kontrolowanego stanu stanowiska przy zerwaniu połączenia z komputerem PC (master)

- utrzymanie stanowiska w zakresie dopuszczalnych parametrów

- sterowanie procesami chłodzenia

- monitoring stanu pracy interfejsów sieciowych

- realizacja algorytmów zabezpieczeń

Zabezpieczenia stanowiska badawczegoZabezpieczenia stanowiska badawczego



• wyłącznik awaryjny

• bezpieczniki nadprądowe, różnicowo prądowe, przekaźnik bezpieczeństwa

• osłony, krańcówka i elektrozamek zabezpieczający przestrzeń wokół badanej próbki

• czujnik przepływu wody, czujnik ciśnienia gazu chłodzącego

• czujniki temperatury wokół przetworników pomiarowych

• system cyrkulacji powietrza w komorze pomiarowej

Oprogramowanie kontrolno - pomiaroweOprogramowanie kontrolno - pomiarowe



• realizacja programu w środowisku LabView

• zastosowanie idei instrumentu wirtualnego

Instrument wirtualny to przyrząd pomiarowy integrujący w sobie następujące składowe: czujniki i przyrządy pomiarowe, magistralę wymiany danych oraz oprogramowanie umożliwiające akwizycję danych oraz ich graficzną lub liczbową reprezentację.

• Zastosowanie architektury wielowątkowej sterowanej przerwaniowo

brak utraty danych, niezależny odczyt pomiarów od procesu monitorowania i sterowania

• Użycie struktury kolejkowej maszyny stanów

Struktura wątków programu kontrolno - pomiarowegoStruktura wątków programu kontrolno - pomiarowego



- Obsługa interfejsu użytkownika- startowanie trybów pomiarowych

Wątek główny

- Realizacja zadanego cyklupomiarowego

- konfiguracja i akwizycja danych

Wątek pomiarowy

- obsługa interfejsuMADBUS/TCP

- monitoring stanowiska

Wątek komunikacjiPLC

- Obsługa komunikacji LXI zzasilaczem

Wątek obsługizasilacza

- Monitoring ciągłości połączeniaze stanowiskiem pomiarowym

Wątek monitoringuciągłości połączenia

Modernizacja i rozbudowa stanowiskaModernizacja i rozbudowa stanowiska



• możliwość zwiększenia wydajności prądowej zasilacza do 990A

• możliwość zwiększenia funkcjonalności stanowiska poprzez dodanie funkcji generowania profilu obciążenia próbki w trakcie cyklu pomiarowego

dodanie napędu śruby naprężającej układ próbka, trawersa, przetwornik siły

• Zastosowanie ekstensometrów optycznych / wizyjnych umożliwiających pomiar odkształceń próbki z jednoczesnym pomiarem naprężeń

walidacja modeli komputerowych, numerycznych

PodsumowaniePodsumowanie



• opracowane stanowisko spełnia postawione wymagania i posiada odpowiednią funkcjonalność niezbędną do prowadzenia planowanych badań

• zostało przebadane przez akredytowane laboratorium i dopuszczone do eksploatacji

• posiada strukturę rozproszoną embaded i charakteryzuje się skalowalnością umożliwiającą przyszłą modernizację i rozbudowę systemu o nowe funkcjonalności

• Zastosowanie środowiska LabView umożliwia szybką i łatwą modyfikację oprogramowania w celu zmiany struktury raportów z pomiarów i implementację nowych funkcji stanowiska badawczego

Dziękuję za uwagęDziękuję za uwagę

stanowisko do badania zmęczenia cieplnego metali i stopów żelaza

Documents