Uniwersalny przyrząd do badania zmienności parametrów określających

Opracowując koncepcję przyrządu UPB-1, wzorowano się na aparacie do trójosiowego ściskania używanym do określania właściwości gruntów. W nowej konstrukcji (rys. 5) zrezygnowano z elementów ruchomych na rzecz cienkościennej tulei umieszczonej w grubościennej obudowie. Wyeliminowanie elementów ruchomych pozwoliło na dokładniejszy pomiar nacisku oraz uniemożliwiło wypływanie materiału pomiędzy współpracujące części. Dzięki zastosowaniu wymiennego elementu pomiarowego (tuleja) zwiększono żywotność przyrządu.

Rys. 5. Schemat przyrządu do badania zmienności parametrów właściwości zagęszczanego i scalanego materiału.

Przyrząd (rys. 5) zbudowany jest z grubościennego korpusu z umieszczoną w osi wymienną tuleją pomiarową. Zamknięta przestrzeń pomiędzy korpusem a tuleją wypełniona jest olejem. W tulei, pomiędzy stemplami: górnym i dolnym, umieszcza się próbkę badanego materiału. Nacisk, wywierany przez scalany materiał na ścianki tulei, przekłada się na wzrost ciśnienia oleju, które jest mierzone przetwornikiem ciśnienia typu Wika A-10. Pomiary

39

realizowano po zamontowaniu przyrządu na prasie wytrzymałościowej WMW o nacisku maksymalnym 100kN. Nie posiada ona cyfrowej rejestracji wywieranego nacisku oraz przemieszczenia. Dlatego też, do pomiaru sił wywieranych na stemple górny oraz dolny wykorzystano siłomierze hydrauliczne. Różnica wartości sił wywieranych na stempel górny oraz dolny stanowi wartości siły tarcia na ściankach matrycy. Brak elementów ruchomych (poza stemplami) oraz duża sztywność układu pozytywnie wpływają na dokładność pomiarów.

W celu określenia zależności pomiędzy ciśnieniem oleju wewnątrz korpusu a naciskiem jednostkowym wywieranym przez badany materiał na ścianki tulei pomiarowej korzystano z zagadnienia Lamego [50, 51]. Założono przy tym, że olej, którym wypełniony jest walczak jest nieściśliwy i podlega prawu Pascala. Pominięto również wpływ dennic korpusu z uwagi na niewielką wysokość badanej próbki i jej umieszczenie w połowie wysokości tulei pomiarowej. Do obliczeń wykorzystano wzór na radialne przemieszczenie „u” elementarnego wycinka przekroju poprzecznego na promieniu „r” [51]:

1 1 (2.4)

gdzie E - moduł Younga, - liczba Poissona, - promień wewnętrzny, - promień zewnętrzny rury, , - ciśnienie wywierane odpowiednio na wewnętrzną oraz zewnętrzną powierzchnię walcową rury.

Przyjmując dla tulei następujące oznaczenia: średnica wewnętrzna , średnica zewnętrzna , /2, /2, , oraz: p – nacisk wywierany na ścianki tulei przez badany materiał, - mierzone ciśnieniem oleju w komorze walczaka i wstawiając je do wzoru (2.4) otrzymano zależność określającą odkształcenie promienia zewnętrznego tulei:

2 (2.5)

Natomiast w przypadku korpusu dla oznaczeń: średnica wewnętrzna , średnica

zewnętrzna , /2, /2, , 0 otrzymano zależność

umożliwiającą obliczenie przyrostu średnicy wewnętrznej:

(2.6)

Suma odkształceń tulei i korpusu musi być równa zero:

40

Po podstawieniu oraz odpowiednich przekształceniach otrzymano szukaną zależność, łączącą nacisk wywierany przez próbkę na ścianki tulei z mierzonym ciśnieniem hydraulicznym:

(2.8) Przyjmując następujące wymiary: średnica wewnętrzna tulei 8 , średnica zewnętrzna tulei = 10mm, średnica wewnętrzna korpusu 14, średnica zewnętrzna korpusu = 57mm, otrzymano

1,759306 (2.9)

Pomiar ciśnienia w tulei realizowano za pomocą opisanego powyżej przetwornika A-10, niepewność tak realizowanego pomiaru wynosi ±0.36 MPa

Nacisk wywierany na badaną próbkę przez stempel górny oraz dolny wyraża się wzorem

, , (2.10)

gdzie jest ciśnieniem mierzonym przez przetwornik ciśnienia, = 40mm jest średnicą jego tłoka. Niepewność pomiaru wynosi ±5MPa.

Pomiaru wysokości dokonywano za pomocą wysokościomierza z potencjometrem. W celu wyznaczenia wysokości początkowej przy montażu przyrządu na prasie wytrzymałościowej używano suwmiarki elektronicznej o dokładności pomiaru ±0,1mm. Błąd pomiaru wysokości przekłada się na dokładność wyznaczenia gęstości oraz współczynnika tarcia zewnętrznego.

W celu określenia współczynnika tarcia zewnętrznego badanego materiału o tuleję pomiarową posłużono się równaniem:

(2.11) gdzie i są wartościami sił działających odpowiednio na stempel górny oraz stempel dolny, jest wysokością próbki. Niepewność pomiaru współczynnika tarcia wynosi ±0.025.

Gęstość próbki określano na podstawie zależności:

(2.12) gdzie jest masą próbki, zmierzoną po wyjęciu z tulei. Niepewność wyznaczonej gęstości 33kg/m³.

41

Do rejestracji danych pomiarowych zastosowano urządzenia pomiarowe i oprogramowanie firmy National Instruments. Wykorzystano 8-gniazdową ramkę cDAQ 9188 z modułem wejściowym NI 9201. Moduł wejściowy posiada 8 pasywnych wejść analogowych do pomiaru napięcia w zakresie ±10 V i szybkości próbkowania 500 kS/s. Zastosowane do pomiaru ciśnienia przetworniki Wika A10 posiadają wyjście prądowe 4-20mA i wymagają dodatkowego źródła zasilania. W celu odłożenia napięcia na wejściach modułu wejściowego pomiędzy poszczególne wejścia pomiarowe a masę wpięto opór 500 Ohm. Do zasilania przetworników wykorzystano zasilacz laboratoryjny NDN, a dodatkowo w celu wyeliminowania tętnień napięcia zasilającego zastosowano scalone stabilizatory napięcia 7815 oraz filtry dolnoprzepustowe.

Dane z rejestratora poddawane zostały wstępnej obróbce w programie LabView. Schemat blokowy aplikacji przedstawiono na rysunku 6. Aplikacja dokonuje akwizycji danych na czterech kanałach wejściowych z ustaloną częstością próbkowania. Po zakończeniu pomiaru dane zapisywane były do formatu *.xls (MS Excell).

Rys. 6. Schemat blokowy układu pomiarowego w programie LabView.

Do opracowania zebranych w czasie prób danych napisano skrypt do programu Matlab, którego listning przedstawiono w załączniku C: skrypt do obróbki danych pomiarowych z przyrządu UPB-1. Skrypt przelicza sygnały wejściowe z siłomierzy według wyznaczonych krzywych kalibracji i filtruje je (filtr LP FIR). Generuje również wykresy. Każdy pomiar przeprowadzano po dokładnym oczyszczeniu tulei pomiarowej oraz siłomierzy. Następnie do tulei wkładano stempel dolny i napełniano ją badaną mieszanką