Stanowisko do badania zmęczenia cieplnego metali i stopów żelaza

1. Instytut Tele- i Radiotechniczny Centrum Systemów Teleinformatycznych i Aplikacji Sprzętowych Zakład Piezoelektroniki i Ultradźwięków Stanowisko do badania zmęczenia cieplnego metali i stopów żelaza Autorzy: Piotr Gawryś Krystian Król Łukasz Krzemiński Zakopane, czerwiec 2012r.

2. Stanowisko do badania zmęczenia cieplnego metali i stopów żelaza Cele i założenia projektu • 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

3. Stanowisko do badania zmęczenia cieplnego metali i stopów żelaza Opracowanie nowej generacji ultradźwiękowych układów drgających do energooszczędnych technologii – Etap II Badania cieplnej wytrzymałości zmęczeniowej • 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

4. Stanowisko do badania zmęczenia cieplnego metali i stopów żelaza Opracowanie nowej generacji ultradźwiękowych układów drgających do energooszczędnych technologii – Etap II Wymagania 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

5. Stanowisko do badania zmęczenia cieplnego metali i stopów żelaza Opracowanie nowej generacji ultradźwiękowych układów drgających do energooszczędnych technologii – Etap II 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

6. Stanowisko do badania zmęczenia cieplnego metali i stopów żelaza Opracowanie nowej generacji ultradźwiękowych układów drgających do energooszczędnych technologii – Etap II Konstrukcja ramy pomiarowej 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 ) D B E C F A

7. Stanowisko do badania zmęczenia cieplnego metali i stopów żelaza Opracowanie nowej generacji ultradźwiękowych układów drgających do energooszczędnych technologii – Etap II Budowa 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 rezystywności3 – tor pomiaru naprężeń (siły) • 4 – tor pomiaru wydłużenia

8. Stanowisko do badania zmęczenia cieplnego metali i stopów żelaza Opracowanie nowej generacji ultradźwiękowych układów drgających do energooszczędnych technologii – Etap II Budowa systemu pomiarowego

9. Stanowisko do badania zmęczenia cieplnego metali i stopów żelaza Opracowanie nowej generacji ultradźwiękowych układów drgających do energooszczędnych technologii – Etap II Budowa systemu kontrolnego • 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

10. Zabezpieczenia stanowiska badawczego Stanowisko do badania zmęczenia cieplnego metali i stopów żelaza Opracowanie nowej generacji ultradźwiękowych układów drgających do energooszczędnych technologii – Etap II • 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

11. Stanowisko do badania zmęczenia cieplnego metali i stopów żelaza Opracowanie nowej generacji ultradźwiękowych układów drgających do energooszczędnych technologii – Etap II Oprogramowanie 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

12. Struktura wątków programu kontrolno - pomiarowego Stanowisko do badania zmęczenia cieplnego metali i stopów żelaza Opracowanie nowej generacji ultradźwiękowych układów drgających do energooszczędnych technologii – Etap II

13. Stanowisko do badania zmęczenia cieplnego metali i stopów żelaza Opracowanie nowej generacji ultradźwiękowych układów drgających do energooszczędnych technologii – Etap II Modernizacja 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

14. Stanowisko do badania zmęczenia cieplnego metali i stopów żelaza Opracowanie nowej generacji ultradźwiękowych układów drgających do energooszczędnych technologii – Etap II Podsumowanie • 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

15. Dziękuję za uwagę