מדידות כוח ומומנט - שיטות ואמצעים
המאמר כאן הינו סיכום של הדרכים ועקרונות המדידה של כוחות מכניים המופעלים במהלך שימוש במכשירים שונים.
Force Gauge
Force Gauge הינו מכשיר מדידה נפוץ. השימוש בו הינו כמעט בכל תחום בחייים בו אנו מבקשים למדוד את הכוחות המופעלים על גוף כלשהו בעת ביצוע בדיקות לחיצה או מתיחה.
קיימים שני סוגים של Force Gauge: אחד הפועל לפי עקרון מדידה מכאני והשני, הפועל לפי עקרון מדידה חשמלי.
המכשירים הפועלים עפ"י העקרון המכאני מבוססים על קפיץ בעל חוזק ידוע, חוזק שנקבע על-פי הכוח הנדרש למדידה. כאשר מניחים על הקפיץ משקולת היא גורמת לקפיץ להתכווץ; כאשר נפעיל כוח מתיחה הקפיץ יימתח. שנויי ההתארכות או ההתכווצות של הקפיץ מוצגים באמצעות מחוג המחובר לקפיץ אשר מראה את הכוחות המופעלים באמצעות סקאלה מכאנית.
יתרונות: מחיר זול.
חסרונותיו: דיוק נמוך, רזולוצית מדידה נמוכה.
המכשיר החשמלי מבוסס על מדידת מעוות באמצעות חישני strain gauge. strain gauge הוא רכיב קרמי מיניאטורי המכיל פלטה דקה מתכתית העשויה מסגסוגת ניקל כרום או מסגסוגת נחושת ניקל. רכיב ה- strain gauge משנה את המוליכות החשמלית שלו בהשפעת כוחות המופעלים עליו.
תא כוח הוא אביזר אלקטרוני בו משתמשים כדי להמיר כוח לאות חשמלי. הוא מכיל בתוכו מספר יחידות מסוג strain gauge אשר מחוברות בצורת גשר וויטסטון. תפוקתו הינה בהתאם לעומס המופעל על תא-הכוח ומתח העירור המסופק לו. דרך מבנה מכני, הכוח הנקלט גורם לשינוי של strain gauge. זה ממיר את הדפורמציה (המתיחה) לאותות חשמליים. התוכנה והחלקים האלקטרוניים של ה-force gauge ממירים את המתח החשמלי של תא הכוח לערכי כוח, המוצגים על-גבי המכשיר.
יחידות המדידה של כוח הן בדרך-כלל ניוטון או פאונד (ליברה). ערך השיא של הכוח הוא התוצאה השכיחה ביותר בשימוש במדידות כוח. משתמשים בו כדי להגדיר האם חלק הוא תקין אם-לאו. דוגמאות למדידת כוח: איכות קפיצים, מדידת כבלים ועוד. גם מבחנים מורכבים יותר יכולים להתבצע כדי לבדוק נושאים כמו קילוף, חיכוך ומירקם.
השימוש בו הוא במחקר ופיתוח, מעבדות, בקרת איכות, בקוי-ייצור ובסביבות עבודה שונות.
מערכת למדידת כוח תכלול תא-כוח ותצוגה אלקטרונית שמתפקידה להציג את הכוחות הנמדדים ולספק את מתח העירור לתא הכוח שבלעדיו לא מתאפשרת מדידה.
יתרונות: דיוק גבוה, חזרתיות מדידה טובה,פיצוי טמפרטורה טוב.
חסרונות: מחיר יקר.
מדידת Torque:
יש שני סוגים של מדי כוח: מכני ודיגיטלי.
בשיטה מכאנית המכשיר בנוי בצורה של ידית כמו מפתח לחיזוק ברגים באמצעות מפתח גביע אך התותב שעליו מחובר מפתח הגביע מתחבר באמצעות קפיץ ספיראלי שעליו מחובר מחוג אשר מראה את הכוח אשר מופעל על האלמנט הנמדד. שימושו היחיד הינו מפתחות מומנט לצורך חיזוקי ברגים.
יתרונות: מחיר זול.
חסרונות: דיוק נמוך, אין אפשרות למדוד מומנטים נמוכים מאוד או גבוהים מאוד, אין אפשרות למדוד מומנט סיבובי.
מדידת Torque בשיטה חשמלית יכולה להתבצע בשני אופנים:
• 1. מדידת פיתול סטטית מתבצעת באמצעות תא כוח בצורה דומה למדידת מתיחה/לחיצה, אך בהבדל אחד: כאן אנו מודדים פיתול ולכן ה-strain gauge מודבקים ביחידה למדידת מומנט בציר אנכי ולא אופקי. (בתא כוח הם מודבקים בצורה אופקית). בשיטה זו ניתן לבדוק אך ורק כוח פיתול סטטי.
• 2. מדידת פיתול סיבובי מתבצעת באמצעות חיישן שיכול להסתובב במהירות של מספר יחידות. סל"ד ועד ל-30,000 סל"ד. משדר המומנט בנוי בדומה למנוע חשמלי: רוטור וסטטור. מבנהו מבוסס על טכנולוגית SAW (surface acoustic or Rayleigh waves). בטכנולוגיה זו מורכב סליל רזונטור כסטטור של משדר המומנט ורוטור המשדר מורכב מליבת פחיות דקות אשר משנה את הרזוננס בהתאם למומנט המופעל על הרוטור.
Torque gauge הינו מכשיר מדידה הנמצא בשימוש רב שנים בעיקר בקונפיגורציה הראשונה אשר מודדת מומנט סטטי. היעודים העקריים של שיטה זו הינם: מדידת ה- torque או הפיתול של חיזוק ברגים, מחקר ופיתוח, מעבדות, בקרת איכות, בקווי הייצור ובסביבות עבודה שונות.
מדידת מומנט פיתול סיבובי בשיטת SAW הינה שיטה חדשה יחסית וקיימת רק מספר שנים מועט ומשמשת בעיקר למדידה וניטור מומנט בחלקים נעים כגון מנועים, ממסרות, טורבינות מדחפים ועוד.
יחידות מדידה של torque הינם לרוב ניוטון/מטר (N/m) או פאונד/אינצ' (ליברה/אינץ). עומס השיא הוא התוצאה השכיחה ביותר בשימוש של בדיקת כוח.
מערכת למדידת מומנט תכלול תא-מומנט ותצוגה אלקטרונית. תפקידה להציג את המומנט הנמדד ולספק את מתח העירור למשדר המומנט שבלעדיו לא מתאפשרת מדידה.
יתרונות: דיוק גבוה טוב יותר ברמה של "סדרי גודל" לעומת שיטה מכאנית.
חסרונות: מחיר יקר.
מדידות-כח נוספות הנמצאות בשימוש:
מדידת מקדם החיכוך (coefficient of friction):
מקדם החיכוך הינו היחס בין כוח החיכוך לכוח הפועל בצורה ניצבת לשני משטחים הנמצאים במגע. כוח זה הינו לרוב כוח הכבידה. המקדם הינו מדידה של הקושי איתו יחליק המשטח מחומר אחד על-גבי החומר השני.
מקדם-החיכוך הסטאטי או התחילי מתייחס לכוח הנדרש על-מנת להתחיל תנועה של אחד מהחומרים.
מקדם-החיכוך הקינטי או מקדם ההחלקה מתייחס לכוח הנמדד בזמן תנועה.
כוח הקילוף (peeling)
כח הקילוף הינו מדידה של הכוח הממוצע הנדרש להפריד בין 2 חומרים מצומדים. הכח מחושב במשך ?180 של מבחן קילוף במהירות קבועה, על-ידי חישוב הכח הממוצע הנדרש בזמן הבדיקה מחולק ברוחב היחידה של הדוגמאות המצומדות.
עומס השבירה- breaking load
עומס השבירה הוא הכוח הנדרש על-מנת לשבור או לגרום לשבר בזמן מבחן מתיחה, דחיסה או פיתול בחומרים לא אלסטיים כגון כבלים, פינים ויריעת מתכת.
בבדיקה זו מופעל כוח לחיצה או מתיחה. הערך הנמדד הינו ערך שיא הכוח שלאחריו החלק נשבר. לכן קיימת חשיבות גדולה בשימוש במערכת מדידה בעלת תגובה סופר מהירה ורישום גרפי .
נקודת השבירה קרויה בדרך-כלל כוח שבירה, ונמדדת בניוטון/מ"מ2 או בליברות/אינצ'.
מדידות עייפות- fatigue
מדידת עייפות- fatigue הינה בדיקת מואצת שבאה לנבא את אורך חיי החלק הנבדק ואת הכשלים העתידים להתרחש לאורך מהלך השימוש בו. בבדיקה זו מופעלים על החלק הנבדק כוחות לחיצה או מתיחה או שילוב של שניהם בצורה מחזורית (תלוי במטרת השימוש בחלק).
מחזור מדידת עייפות עשוי להמשך, ברציפות, מספר ימים עד מספר שבועות. בזמן זה מופעלים על החלק הנבדק כוחות מחזוריים בהתאם לכוח אשר יופעל על החלק במהלך חייו.
בתעשיות הרכב והתעופה מרבים להעזר בבדיקות עייפות בעת פיתוח דגמים חדשים על מנת לחזות את המרווחים הצפויים לביצוע טיפולים תקופתיים והחלפות חלקים במהלך אחזקה יזומה.
