Основными характеристиками тензорезисторов для испытаний землеройных машин являются: активная база — длина решетки (3—200 мм для тензорезисторов общего назначения), номинальное сопротивление (50—400 Ом), коэффициент тензочувствитель-ности, определяемый как отношение приращения выходного электрического сигнала датчика к соответствующему приращению входной измеряемой величины (1,8—2,2). Основные характеристики тензорезисторов, преобразователей и резисторов неэлектрических величин, методика их применения подробно освещены в литературе.

При испытаниях бульдозеров и рыхлителей тензорезисторы используют для измерения деформации металлоконструкций и механических величин: усилий, моментов, напряжений, давлений, перемещений, ускорений и т. п. В зависимости от поставленных задач при испытаниях с помощью тензорезисторов измеряют следующие параметры навесного оборудования:
— активные нагрузки, действующие на рабочий орган, и реактивные нагрузки — в шарнирах навесных устройств;
— напряжения и деформации в металлоконструкции (тягах, рабочей балке, опорной раме, зубе, штоках гидроцилиндров и проушинах— рыхлительного оборудования; толкающих брусьях, отвале— бульдозерного оборудования) и в элементах крепления оборудования к трактору (шпильках и цапфах);
— давления в трубопроводах гидропривода и гидроцилиндрах: подъема-опускания оборудования, изменения угла рыхления шага зубьев, механизмов изменения вылета зуба рыхлителя и перекоса отвала бульдозера;
— крутящие моменты на валах привода насосов и двигателя базовой машины.

Применяют два способа измерения нагрузок путем замеров деформации узлов и деталей, непосредственно воспринимающих исследуемую нагрузку или с использованием специальных тензорезисторных преобразователей — сило-измерителей, встроенных в разрыв исследуемой силовой цепи (ди-намометрированием).

При непосредственном тензометрировании узлов и деталей навесного оборудования способ наклейки тензорезисторов и способ включения в измерительную схему зависит от вида измеряемой деформации: растяжения, сжатия, изгиба, кручения, сложной деформации. Активные—рабочие и компенсационные тензорези* сторы (устраняющие влияние температурной деформации узла) составляют одну половину измерительного моста, а вторую половину— реохорд и балластные резисторы высокочувствительной аппаратуры типа 8АНЧ-7М, ТА-5 и т. п. с электронными усилителями.

В зависимости от цели и задач исследований выбирают схему установки и монтажа тензорезисторов. Их предпочтительно наклеивать в местах деформации, зависящей только от определяемого усилия, в которых сечение исследуемого узла можно рассчитать достаточно точно.

Поверхности элементов металлоконструкции бульдозерного и рыхлительного оборудования, сваренные из листовой стали, при нагружении можно рассматривать как находящиеся в плосконапряженном состоянии. При экспериментальной оценке напряженно-деформированного состояния таких элементов неизвестными являются величина и вектор деформации от совокупности действующих нагрузок.

На рис. 1 представлена схема расположения прямоугольных розеток малобазных (не более 10 мм) тензорезисторов на металлоконструкции одно- и многозубого рыхлителей (компенсационные тензорезисторы условно не показаны).

При нагружении оборудования определяют деформации вдоль направления наклейки датчиков. По измеренным тензорезистора-ми деформациям рассчитывают наибольшую и наименьшую главные нормальные деформации в точке металлоконструкции.

Рис. 1. Схема расположения прямоугольных тензорозеток на рыхли-тельном оборудовании:
1—26 — номер розетки

При необходимости избирательного выделения из сигнала тензорезистора определенной составляющей и компенсации действия других компонентов применяют различные способы их расположения и включения в измерительный полумост.

Включая рабочий и компенсационный датчик в разные плечи полумоста, измеряют суммарную деформацию от нормальных напряжений в исследуемой точке узла, например, шпильке крепления оборудования или исследуют напряженно-деформируемое состояние металлоконструкций. Активный датчик наклеивают вдоль оси действия главных нормальных напряжений, а компенсационный устанавливают на исследуемом узле перпендикулярно активному датчику в той же точке или на консольной пластине.

По аналогичной схеме осуществляют тензометрирование поверхности трубопровода или агрегата гидросистемы. Для получения наибольшей чувствительности полумоста активные тензорезисторы наклеивают непосредственно на поверхность исследуемого элемента поперек образующей. Наклеивание их вдоль образующей снижает чувствительность более чем в 4 раза. Тензорезисторы температурной компенсации наклеивают на специальную пластину, выполненную из того же металла, что исследуемый элемент, или на поверхность элемента, вдоль образующей. Данный способ характеризует относительно простое измерение давления. Однако недостаточная чувствительность и точность ограничивают его применение.

Измерение деформации тяг, имеющих симметричное относительно нейтральной оси сечение, для расчета продольных растягивающих и сжимающих нагрузок проводят двумя рабочими датчиками, наклеенными с диаметрально противоположных сторон сечения. Активные датчики составляют одно плечо полумоста, а два компенсационных датчика другое плечо. Их наклеивают перпендикулярно направлению действия измеряемой силы. Наклеенные таким образом компенсационные- терморезисторы позволяют увеличить выходной сигнал приблизительно на 30% в результате действия поперечных деформаций тяги. Приведенная схема монтажа нечувствительна к деформациям от изгибающего момента и изменения температур.

При недостатке места датчики температурной компенсации наклеивают на дополнительную пластинку, консольно закрепляемую на исследуемой тяге. В этом случае чувствительность измерительного полумоста несколько меньше.

Измерение деформации сжатия-растяжения на цилиндрической детали, например штоке гидроцилиндра, осуществляют четырьмя рабочими и четырьмя компенсационными тензорезистора-ми, наклеиваемыми на диаметрально противоположные стороны поперечного сечения через 90° по окружности. В этом случае тензорезисторы включают по комбинированной схеме последовательно — параллельными группами. Схема измерения позволяет компенсировать деформации изгиба от эксцентричного приложения продольной нагрузки.

При измерении деформации от изгибающего момента рабочие тензорезисторы наклеивают в плоскости его действия с диаметрально противоположных сторон сечения: на сжатых и растянутых волокнах узла. Датчики включены в разные плечи полумоста. Монтажная схема датчиков нечувствительна к продольным деформациям одного знака.

Для измерения деформации в элементах навески от действия касательных напряжений используют двухэлементные розетки из фольги, элементы которых расположены один к другому под прямым углом. Тензорезисторы наклеивают с диаметрально противоположных сторон сечения под углом 45° к оси исследуемого узла. Датчики, воспринимающие деформации одного знака, включают в противоположные плечи полумостовой схемы, что позволяет исключить влияние деформации изгиба и температуры.

При измерении деформации от крутящих моментов на валах применяют четыре проволочных тензорезистора, соединенных по полумостовой схеме и наклеенных под углом 90° один к другому и под углом 45° к продольной оси вала, так как при кручении максимальные деформации сжатия и растяжения возникают на поверхности вдоль винтовых линий, расположенных под углом 45°. При такой схеме соединения деформации изгиба и температура не влияют на показания датчиков. Основным недостатком тензометрирования при измерении крутящих моментов является необходимость применения токосъемников для передачи показаний с вращающегося вала на неподвижный измерительный прибор. В настоящее время при тензометри-ровании вращающихся объектов наибольшее применение получили контактные токосъемники со щеточными и ртутными контактами.

Наряду с тензорезисторами при экспериментальных исследованиях бульдозеров, рыхлителей и их моделей широко применяют тензорезисторные преобразователи: силоизмерители (тензодина-мометры) одно- и многокомпонентные и тензоманометры. Тензо-преобразователи перемещений, деформаций, ускорений и вибрации применяют в меньшей степени, их конструкции достаточно освещены в работе.

Упругие элементы тензорезисторных преобразователей изготовляют из легированных углеродистых сталей, упрочняемых закалкой, а также из дюралюминия и фосфористой бронзы. В зависимости от условий испытаний, величин и характера измеряемых нагрузок определяют форму упругого элемента тензорези-сторного преобразователя.

Силоизмеритель является элементом многократного использования и может заменять звено или деталь навесного оборудования. Силоизмерители применяют в том случае, когда наклейка тензорезисторов непосредственно на исследуемый элемент усложнена или практически невозможна. Например, при измерении в шарнирах, элементах сложной конфигурации использование встроенных силоизмерителей позволяет получить более точные результаты ввиду простоты их градуирования на прессах или разрывных машинах.

В НПО «ВНИИСтройдормаш» создан способ определения нагрузок в шарнирах навесного оборудования с использованием однокомпонентных силоизмерителей — тензометрических пальцев составного типа, выполненных из внешнего и внутреннего пальца. Внешний палец имеет осевую проточку с конусами по концам и выступающие по поверхности буртики для восприятия усилий, действующих в шарнире. Внутренний палец имеет коническую головку с одной стороны и резьбу с другой. В собранном состоянии внутренний палец жестко фиксируется во внешнем посредством гайки, притертой конической головки и конической втулки, причем натяжение гайки контролируют динамометрическим ключом. Тензорези-сторы наклеивают на внутренний палец вдоль оси и измеряют деформации от изгибающего момента в условиях равномерно распределенной эпюры последнего. Градуировку пальца проводят в сборе — на гидравлическом прессе. При такой конструкции обеспечена надежная защита тензорезисторов от механических повреждений и исключено влияние внешней среды, а также облегчена проверка и замена датчиков без разборки навесного оборудования.

Для легко разборных конструкций, имеющих относительно небольшую массу узлов и тяг, применяют тензометрические пальцы сплошного типа, имеющие вдоль поверхности диаметрально противоположные профрезированные канавки и выступающие буртики. В канавках наклеивают четыре активных тензорезистора — по два с каждой стороны от центрального буртика. Крайние датчики соединяют в одно плечо полумоста, а внутренние — в другое. При такой наклейке измеряют деформацию между соседними датчиками, находящимися в разных плечах полумоста, и точка приложения нагрузки не оказывает влияния на их показания.

Динамометрирование с использованием специальных однокомпонентных тензорезисторных преобразователей широко используют для измерения тяговых усилий, взвешивания бульдозеров и рыхлителей, измерения сопротивлений разрушению грунтов при испытаниях на стендах.

При измерений тягового усилия применяют чувствительные элементы стержневого и кольцевого типов. Чувствительный элемент стержневого типа имеет рабочую часть в виде стержня прямоугольного или круглого сечения с наклеенными тензорезисторами. Активные тензорезисторы наклеивают вдоль оси стержня, а компенсационные — поперек или на специальную пластину. Активные тензорезисторы включены в одно, а компенсационные в другое плечо полумоста, что позволяет исключить влияние деформации изгиба и температурную деформацию на результаты измерения.

Кольцевые силоизмерители являются весьма чувствительными элементами. Они позволяют измерять знакопеременные нагрузки: сжатие — растяжение. Для устойчивой работы тензоаппаратуры напряжения в кольце силоизмерителя в местах установки датчиков должны составлять 20,0—150,0 МПа.

Силоизмерители консольного типа равного сопротивления работают на изгиб. Их используют в стендах для измерения небольших сил. Трапецеидальная в плане форма консольной балки силоизмерителя обеспечивает ее равное сопротивление изгибу, что позволяет наклеивать тензорезисторы в любом сечении.

Шаровыми преобразователями измеряют большие усилия сжатия (см. табл. 5.3). Они не реагируют на внецентренное приложение измеряемых сил. Тензорезисторы наклеивают вдоль и поперек экваториальной части шара. Продольно наклеенные датчики соединяют в одно плечо, а поперечные в другое плечо полумоста. Нагрузки на шар передаются через конусные поверхности подпятника и крышки.

Многокомйонентные силоизмерители на стендах позволяют одновременно замерять составляющие силы резания при исследовании отвалов бульдозеров, зубьев рыхлителей и их моделей.

При экспериментальных исследованиях режимов работы бульдозеров и рыхлителей с использованием тензорезисторов наряду с нагрузками и напряжениями измеряют величины и характер изменения давления в полостях гидроцилиндров, трубопроводах и других элементах гидропривода тензоманометрами.

Наибольшее распространение при исследовании землеройных машин получил способ измерения давления с использованием тен-зоманометров с чувствительным элементом в виде колпачка — заглушки (для больших давлений) и трубки Бурдона (для давления менее 5,0 МПа).

Чувствительный элемент в виде колпачка представляет собой тонкостенный цилиндр с толстым дном. На свободном конце со стороны входного отверстия цилиндр имеет штуцер с резьбой для подсоединения к исследуемой полости гидросистемы. Активный тензорезистор клеят в средней части цилиндра вдоль или поперек его образующей, а компенсационный — на верхней массивной части цилиндра или на специальном диске в нижней его части.

Существующие тензорезисторные преобразователи колпачкового типа позволяют измерять давление до 30,0 МПа и весят вместе с элементами подсоединения не более 0,1 кг.

Тензоманометр устанавливают на исследуемом узле гидропривода посредством кранового гидроаппарата. В «нулевом» положении рукоятки рабочая полость тензометра отключается от гидросистемы и от воздействия рабочей жидкости с целью балансировки тензомоста. При повороте рукоятки в рабочее положение золотник соединяет рабочую полость тензомано-метра с гидросистемой.

При использовании чувствительных элементов от технических манометров в виде трубки Бурдона тензорезисторы наклеивают на внутренней и внешней сторонах трубки и включают в разные ллечи полумоста, обеспечивая компенсацию температурной деформации.

Рис. 2. Схема присоединения приборов для измерения давлений в гидросистеме:
а — образцовым манометром; б — тензоманометром; 1 — трубопровод; 2, 4, 7 — штуцер; 3 — уплотнение; 5 — образцовый манометр; 6 — кран; 8 — тензоманометр

Одной из наиболее сложных задач при экспериментальных исследованиях навесного землеройного оборудования является определение сопротивления грунта разрушению рабочим органом машины.

Для измерения сопротивления грунта разрушению землеройной машиной используют или специальную подвеску рабочего органа с тензочувствительными элементами (тягами и балочками с наклеенными тензорезисторами) или тензометрические пальцы, установленные в шарнирах крепления навесного устройства оборудования. Составляющие силы резания определяют при пересчете полученных реактивных нагрузок из условия равновесия системы. Существенным недостатком данного способа является увеличение погрешностей измерения в результате значительного объема расчетных операций, одновременно увеличивающих трудоемкость исследований.

Более эффективен способ оценки сопротивления грунта разрушению, основанный на измерении силы резания путем тензомет-рирования рабочего органа землеройной машины. В результате комплексных исследований рыхлителей нами разработан способ измерения составляющих силы R рыхления, значительно облегчающий проведение исследований и обеспечивающий высокую точность замеров с использованием стойки — несущего и наиболее нагруженного элемента зуба — одновременно являющегося упругим элементом тензопреобразователя (тензорезисторного силоиз-мерителя).

Рис. 3. Схема установки тензорезисторов на стойке зуба:
1, 2, 3, 4 — схемы включения датчиков соответственно для определения Ик, R , М,

Аналогичную схему применяют при измерении боковой составляющей силы рыхления.

При измерении продольной оси стойки составляющей силы рыхления активные тензорезисторы наклеивают вдоль, а компенсационные— поперек оси с противоположных сторон стойки. Активные и компенсационные тензорезисторы включают в соседние плечи полумоста по схеме.

Рис. 4. Схемы балочки равного сопротивления (W7£=const):
а — монтажа; б — соединения датчиков; I; II; III — для определения соответственно напряжения <Ti растяжения-сжатия или продольной силы QT, RK; напряжения оязг изгиба или изгибающего момента; суммарного напряжения а

Важнейшим этапом процесса тензометрирования является градуировка (тарировка) тензорезисторов, позволяющая оценить масштаб измерения путем установления зависимости между деформацией упругого элемента и действующей нагрузкой. Тензорезисторы однократного использования градуируют выборочно при деформировании сосредоточенной нагрузкой известной величины устройства с изгибаемым упругим элементом и эталонными тензорезисторами. Устройство выполнено в виде тарировочного бруса — балочки равного сопротивления или балочки постоянного сечения с достаточно протяженным участком чистого изгиба.

Тарировочная балочка равного сопротивления изготовлена в виде стального упругого бруса постоянной толщины с рабочей частью переменной ширины и нерабочими концевыми участками постоянного сечения. В балочке равного сопротивления относительная деформация волокон во всех точках бруса одинакова при консольном приложении нагрузки. Тарировочный брус равного сечения имеет постоянную толщину и ширину по всей длине.

Рис. 5. Схемы балочки равного сечения:
а — монтажа; б —соединения датчиков при определении RK и Re

Градуировка тензорезисторов для измерения напряжений при деформации изгиба, растяжения, сжатия или суммарной деформации в точке осуществляют наклейкой четырех эталонных рабочих датчиков на балочке равного сопротивления со стороны, как правило, растягиваемых волокон (два вдоль и два — поперек продольной оси балочки) и одного (с другой стороны вдоль оси) на сжимаемых волокнах балочки. При градуировке тензорезисторов исследуемой детали с датчиками температурной компенсации на пластине на основании балочки, не подвергающемся действию нагрузок, дополнительно наклеивают два тензорезистора.

Градуировку нормальной составляющей силы рыхления (стойка зуба) и продольных сил (в тягах) производят по схеме I, момента по схеме II и суммарных напряжений в точках навесного устройства по схеме III.

Градуировку тензорезисторов касательных напряжений в элементах навески проводят на специальных стендах. Тензорезисторы наклеивают по контуру поверхности сплошного или полого вала с нагружением электро- или гидроприводом. Тензоманометры градуируют на ручных гидравлических прессах и контролируют давление по образцовым манометрам. Упругие элементы силоизмерителей градуируют на универсальных силоизмерительных машинах.

Сигналы от тензодатчиков усиливают промежуточными преобразователями (усилителями) типа 8АНЧ-7М, ТА-5, «Топаз-3», «Топаз-4» и регистрируют с использованием: светолучевых осциллографов на бумажной фотоленте или фотопленке; магнитографов на магнитной пленке; самописцев на бумажной ленте чернилами; цифропечатающих приборов на бумажной ленте или картах.