ПАНЕЛЬ БЛОКА ЭКСПОНИРОВАНИЯ ОБРАЗЦОВ МАТЕРИАЛОВ

Полезная модель относится к машиностроению, к области исследования влияния факторов космического пространства на свойства материалов.
Панель предназначена для экспонирования образцов различных материалов в условиях воздействия факторов космического пространства. На панели располагают как ненагруженные образцы, так и нагруженные образцы. Используется консольное нагружение образцов и нагружение образцов в условиях чистого изгиба (когда, при постоянном сечении образца в рабочей зоне, в рабочей зоне образца в каждом сечении образца действует изгибающий момент одной и той же величины). Геометрическая форма и размеры образцов выбраны заранее. Толщина образцов может быть разной (в определенном диапазоне), но геометрическая форма и размеры образцов выбраны заранее; с учетом этих размеров и формы образцов подготовлена аппаратура для проведения сравнительных испытаний образцов, которые были экспонированы в космосе и которые находились в земных условиях.
При модернизации панели была цель повысить удобства для монтажа и демонтажа образцов на панели в условиях невесомости. Одна из трудностей, при использовании панели прежней конструкции, заключалась в том, что при завинчивании винтов, которые выполняют роль опоры, изгибающей образец, сложно обеспечить одинаковое нагружение одинаковых образцов. Более того, чтобы обеспечить нагружение образца в условиях чистого изгиба, надо, чтобы обе концевые части образца были бы одинаково нагружены. Это сложно обеспечить при использовании панели прежней конструкции.
У предлагаемой панели вместо опор в виде винтов используются опоры в виде ребер, высота которых подобрана такой, чтобы обеспечить требуемый режим нагружения образцов при их установке на панель. Ребра имеют переменную высоту, которая ступенчато меняется вдоль длины ребра.
Известно устройство (Герасимова Л.П., Гук Ю.П. Контроль качества конструкционных материалов. М.: Интермет Инжиниринг, 2010, 848 с. См. стр. 693, рис. 14.1 в)) для нагружения образца при постоянной деформации, причем образец нагружают в четырех точках. Это устройство содержит два опорных элемента, неподвижно закрепленных на основании. В эти опорные элементы своей поверхностью вблизи соответствующих концевых частей упирается образец. На другую поверхность образца, на некотором удалении от указанных выше опорных элементов, снизу вверх одинаковой силой воздействуют упоры; в результате рабочая часть образца изгибается в условиях воздействия чистого изгиба (т.е. во всех сечениях рабочей части образца будет одинаковый изгибающий момент).
Совпадающими признаками этого устройства и заявляемой панели являются следующие. Устройство позволяет реализовать способ нагружения образца в условиях чистого изгиба. Это устройство содержит два опорных элемента, неподвижно закрепленных на основании. В эти опорные элементы своей поверхностью вблизи соответствующих концевых частей упирается образец. На другую поверхность образца, на некотором удалении от указанных выше опорных элементов, снизу вверх одинаковой силой воздействуют упоры; в результате рабочая часть образца изгибается в условиях воздействия чистого изгиба (т.е. во всех сечениях рабочей части образца будет одинаковый изгибающий момент).
Недостатки этого устройства заключаются в следующем. Это устройство не предназначено для его использования в условиях космического пространства и соответственно не снабжено устройством для его крепления к поручню космической станции. Кроме того, устройство предназначено для нагружения только одного образца и только в условиях чистого изгиба.
Известна стойка для установки образцов (Шах В. Справочное руководство по испытаниям пластмасс и анализу причин их разрушения. Пер. с англ. под ред. Малкина А.Я. СПб.: Научные основы и технологии, 2009, 732 с. См. на стр. 192-193 рис. 5.12 и рис. 5.13). Эта стойка для установки образцов представляет собой прямоугольный каркас в виде боковых стенок короба, содержит горизонтально расположенные ребра, проходящие от левой к правой боковой стенке этого короба. Причем эти ребра имеют сечение переменной ширины, так что, когда этот каркас расположен под углом к горизонту (около 45°), образцы не «сползают» вниз и не «проваливаются» между этими ребрами.
Совпадающими признаками данной стойки для установки образцов и заявляемой панели являются следующие. Стойка предназначена для размещения группы образцов. Стойка представляет собой прямоугольный каркас в виде четырех боковых стенок короба. Стойка содержит горизонтально расположенные ребра, проходящие от левой к правой боковой стенке этого короба.
Недостатки этой стойки заключаются в следующем. Эта стойка не предназначена для использования в условиях космического пространства и, соответственно, не снабжена устройством для ее крепления к поручню космической станции. Стойка не имеет приспособлений для установки нагруженных образцов.
Известен блок экспонирования, состоящий из двух панелей с размещенными на них образцами материалов (см. материалы в Интернете по электронному адресу: www.federalspace.ru /19810/, экспедиция МКС-35; а также по адресу: www.federalspace.ru /20808/, МКС-38, рис. 33; (см. разделы: Эксперимент «Выносливость»)), панель этого блока принята в качестве прототипа. В указанных выше материалах приведена фотография известного блока экспонирования (состоящего из двух панелей); также приведена фотография панели с образцами.
Известный блок экспонирования состоит из двух панелей. Эти панели (в исходном состоянии) связаны между собой с помощью шарнирного соединения. Это соединение позволяет легко разъединить известный блок экспонирования на две панели. Каждая панель снабжена ручкой; причем в исходном состоянии (когда блок экспонирования «собран») ручки располагаются у противоположных краев блока экспонирования. Каждая панель снабжена замковым устройством для крепления к поручню на внешней поверхности модуля космической станции. Это устройство неподвижно крепится к панели блока экспонирования. Это устройство крепится к панели у края панели, противоположного зоне шарнирного соединения двух панелей. Панель представляет собой короб малой высоты с четырьмя боковыми стенками.
В известной панели для нагружения консольных образцов были сделаны выступы, возвышающиеся над дном панели, в этих выступах были просверлены отверстия и нарезана резьба. В каждое такое резьбовое отверстие был ввинчен винт. Высота верхней части головки винта (по отношению к плоскости дна панели) определяла величину прогиба концевой части консольного образца при закреплении с помощью болта противоположной концевой части консольного образца. Для нагружения образцов чистым изгибом, для каждого образца была сделана пара одинаковых выступов, возвышающихся над дном панели, в этих выступах были просверлены отверстия и нарезана резьба. В каждое такое резьбовое отверстие снизу ввинчивалась шпилька, на торце которой была сделана прорезь для отвертки с плоским жалом. Высота (по отношению к плоскости дна панели) верхней части шпильки, ввинченной в резьбовое отверстие, определяла прогиб образца и величину изгибающего момента. При этом, при закреплении этих образцов, концевые части этих образцов упирались в валики, которые были вставлены в отверстия элементов в виде скоб, закрепленных на дне панели. Чтобы обеспечить условия нагружения при чистом изгибе (т.е. условия, при которых во всех сечениях рабочей части образца изгибающий момент имеет одно и то же значение), необходимо, чтобы торцевые части обоих шпилек находились на одном уровне по отношению к дну короба.
Совпадающими признаками данной панели и заявляемой панели являются следующие. Панель представляет собой короб малой высоты с четырьмя боковыми стенками. На одной длинной боковой стенке с внешней стороны неподвижно закреплены две одинаковые детали, обеспечивающие шарнирное разъемное соединение с другой панелью блока. На внешней стороне противоположной боковой стенки короба в средней ее части неподвижно закреплен элемент устройства для фиксации с другой панелью; рядом с этим элементом к дну короба снаружи неподвижно прикреплено замковое устройство для крепления панели к поручню модуля космической станции. На внешней стороне короткой боковой стенке короба в средней ее части неподвижно закреплена ручка для переноски блока (и панели) и при разъединении блока на две панели. Дно панели имеет выступы, предназначенные для крепления образцов, а также для нагружения образцов, которые должны экспонироваться в нагруженном состоянии. Дно панели имеет ряд отверстий с резьбой.
Недостатки известной панели заключаются в следующем. При опирании нагруженного образца на верхнюю часть головки ввинченного винта трудно обеспечить одинаковое нагружение одинаковых образцов. Чтобы обеспечить условия нагружения образца при чистом изгибе (т.е. условия, при которых в рабочей части образца изгибающий момент имеет одно и то же значение), необходимо, чтобы торцевые части обоих шпилек находились бы на одном уровне по отношению к дну короба. Более того, чтобы обеспечить выполнение условия, что заданная группа одинаковых образцов одинаково нагружена, требуется, чтобы торцевые части всех соответствующих шпилек находились бы на одном уровне по отношению к дну короба. Выполнение этого условия достаточно трудоемкая операция. Более того, торец каждой шпильки должен быть гладким, чтобы не царапать поверхности образца.
Задача полезной модели заключается в том, чтобы облегчить процесс установки нагруженных образцов на панель при условии, что определенная группа одинаковых образцов одинаково нагружена и обеспечивается малый разброс величины силового воздействия на образцы этой группы.
Эта задача решается следующим образом.
Панель блока экспонирования образцов материалов, представляющая собой короб с четырьмя боковыми стенками малой высоты, на одной длинной боковой стенке которого с внешней стороны неподвижно закреплены две одинаковые детали, обеспечивающие шарнирное разъемное соединение с другой панелью блока, на внешней стороне противоположной боковой стенки короба в средней ее части неподвижно закреплен элемент устройства для фиксации с другой панелью, а к дну короба снаружи неподвижно прикреплено замковое устройство для крепления панели к поручню модуля космической станции, на внешней стороне короткой боковой стенки короба в средней ее части неподвижно закреплена ручка для переноски блока, дно панели имеет выступ для крепления образцов, выступы для нагружения образцов и систему резьбовых отверстий, при этом выступы для нагружения образцов выполнены в виде ребер, расположенных параллельно длинной боковой стенке короба, причем каждое ребро проходит от одной до другой боковой стенки короба, а высота этих ребер ступенчато меняется по их длине, что позволяет обеспечить одинаковый прогиб у группы одинаковых образцов.
Технический результат, достигаемый полезной моделью, заключается в том, что данная модернизация панели позволила снизить массу панели, разместить на панели большее число образцов (при тех же габаритных размерах панели) и облегчить процесс установки нагруженных образцов на панель.
Сущность полезной модели заключается в том, что, на дне панели выполнены выступы в виде ребер, расположенных параллельно длинной стороне короба, причем каждое ребро проходит от одной боковой стенки короба до противоположной боковой стенки короба. При этом ребра, предназначенные для крепления нагруженных образцов, имеют переменную высоту, которая ступенчато меняется по их длине, чтобы можно было задать одинаковый прогиб у группы одинаковых образцов. Такое устройство панели облегчает процесс установки нагруженных образцов на панель при условии, что определенная группа одинаковых образцов одинаково нагружена.
На фиг. 1 показан внешний вид блока экспонирования в сборе (не показаны замковые устройства для крепления панели к поручню космической станции).
На фиг. 2 показан открытый блок экспонирования (при этом на одной панели показано замковое устройство (см. позицию 12) для крепления панели к поручню модуля космической станции, а на другой панели это замковое устройство не показано). На одной панели показаны установленные на панель образцы материалов, а другая панель показана без образцов.
На фиг. 3 условно (без соблюдения масштаба) показано устройство панели внутри. (Толщина и высота боковых стенок панели (короба), толщина и высота ребер, служащих для нагружения и размещения образцов, показаны условно.)
На фиг. 4 показано устройство, предназначенное для крепления образцов, нагруженных изгибающим моментом при чистом изгибе.
На фиг. 5 показана схема размещения образцов на панели; показаны нагруженные и ненагруженные образцы (элементы, служащие для «скрепления» (фиксации) с другой панелью, когда блок собран, не показаны).
На фигурах обозначены следующие элементы.
1 - одна панель блока.
2 - другая панель блока.
3 - ручка, служащая для переноски блока, а также используемая при разъединении блока на две панели; ручка крепится на внешней стороне короткой боковой стенки короба в средней ее части.
4 - ручка, аналогичная ручке 3, но установленная на другой панели.
5, 6, 7, 8 - элементы, служащие для шарнирного, разъемного соединения двух панелей между собой (эти элементы похожи на элементы разъемной дверной петли); эти элементы крепятся к длинной боковой стенки короба (панели) с внешней стороны.
9 и 10 - элементы, которые выполняют роль «замка», когда блок собран (эти элементы служат для «фиксации» блока в собранном состоянии).
11 - кольцо, используемое при разъединении блока на две панели.
12 - замковое устройство для крепления панели к поручню модуля космической станции.
13 - выступ в виде утолщения постоянной толщины с резьбовыми отверстиями, предназначенный для крепления нагруженных образцов при их консольном изгибе. Консольно нагружаемые образцы 18 одной концевой частью с помощью винтов крепятся к элементу 13; другой концевой частью образцы опираются на ребро 14.
14 - ребро, на которое опирается другая концевая часть образца 18, закрепленного с помощью винта на элементе 13.
15 и 16 - два одинаковых параллельно расположенных ребра.
17 - ребро, служащее для обеспечения удобства при размещении ненагру-женных образцов.
18 - образец, предназначенный для консольного изгиба.
19 - образец, предназначенный для нагружения при чистом изгибе.
20 - элемент, предназначенный для закрепления образцов, нагружаемых чистым изгибом.
21 - валик, неподвижно закрепленный на элементе 20. Валик 21 служит для «нажима» сверху на образец 19.
22 и 23 - «лапки» элемента 20.
24 - ненагруженный образец, по геометрической форме идентичный образцу 18.
25 - ненагруженный образец, по геометрической форме идентичный образцу 19.
Чтобы разъединить две панели, необходимо «потянуть» за кольцо 11, при этом подпружиненный стержень сдвинется и детали 9 и 10 можно сдвинуть относительно друг друга (детали 9 и 10 не будут сцеплены друг с другом). Затем, прилагая усилия к ручкам 3 и 4 так, чтобы детали 5 и 7 смещались относительно соответствующих деталей 6 и 8, собранный блок разъединяют на две панели. Детали 5, 6, 7, 8, 9, 10 установлены так, что, когда «замковое» соединение (см. детали 9 и 10) «закрыто», панели 1 и 2 не могут смещаться относительно друг друга. Когда это «замковое» соединение (см. детали 9 и 10) «открыто» и детали 9 и 10 смещены относительно друг друга, панели 1 и 2 могут смещаться относительно друг друга.
Консольно нагружаемые образцы 18 одной концевой частью с помощью винтов крепятся к элементу 13, а другой концевой частью образцы опираются на ребро 14. Для установки образцов, нагружаемых чистым изгибом используются одинаковые ребра 15 и 16. Ребро 17 служит для обеспечения удобства при размещении ненагруженных образцов, оно имеет постоянную высоту.
Ребро 14 имеет переменную высоту, которая ступенчато меняется (при движении вдоль длины ребра 14). При этом, если образцы одинаковые, то имеется возможность одинаково нагрузить группу этих образцов. Другая высота участка ребра обеспечивает другое значение прогиба образцов. Ребро 14 имеет ступенчатую высоту, причем все участки ребра 14 по высоте (измеряемой от дна короба до верхней части ребра) выше, чем высота утолщения 13.
Ребра 15 и 16 имеют переменную высоту, которая ступенчато меняется (при движении вдоль длины ребер 15 и 16). При этом, если образцы одинаковые, то имеется возможность одинаково нагрузить группу этих образцов. Другая высота участка ребер обеспечивает другое значение прогиба образцов. Образцы, располагаемые на ребрах 15 и 16, крепятся к панели с помощью элементов 20.
Группы образцов 18 и группы образцов 19 могут быть изготовлены из разных материалов, могут иметь разную толщину. Но (для удобства проведения испытания образцов) все образцы 18 имеют одну и ту же геометрическую форму; все образцы 19 имеют одну и ту же геометрическую форму. Фактически нагруженных образцов типа 18 и нагруженных образцов типа 19 на фиг. 2 и на фиг. 5 изображено по 20 штук, но, чтобы не загромождать рисунки номера образцов указаны только у некоторых образцов. Поэтому на фиг. 5 (вид по А-А) указаны номера образцов 18 и 19 (хотя фактически на фиг. 5 в сечении А-А номера образцов не указаны).
Лапки 22 и 23 имеют отверстия; при установке на панель образцов, в каждое такое отверстие вставляется винт, который вкручивается в соответствующее резьбовое отверстие в дне панели. (Причем, если валик 21 расположен параллельно плоскости дна панели и лапка 22 прижата к дну панели, то лапка 23 будет приподнята над дном панели на величину, равную толщине лапки 22. При последовательной установке образцов 19 и соответствующих элементов 20, у одной концевой части образца 19 лапка 23 будет накладываться сверху на лапку 22 предыдущего элемента 20, а у другой концевой части образца 19 лапка 22 будет «подсовываться» под лапку 23 предыдущего элемента 20).
При установке образцов 19, которые должны быть нагружены изгибающим моментом при условии «чистого изгиба», используются элементы 20 (см. фиг. 4 и фиг. 5). «Лапки» 22 и 23 (см. фиг. 4) сделаны так, что они располагаются на разной высоте. При последовательной установке образцов 19 у рядом стоящих элементов 20 «лапка» 22 располагается под «лапкой» 23. Образцы 19 сделаны такой формы, что каждая концевая часть этих образцов имеет расширение (типа «ласточкина хвоста»). При этом размеры элемента 20 и величина расширения концевой части образца 19 подобраны такими, что даже когда образец 19 закреплен только одним элементом 20, привинченным к дну короба, образец 19 не может «потеряться» (образец 19 не может «отцепиться» от элемента 20, когда «лапки» 22 и 23 привинчены к дну панели).
Процесс установки и нагружения образцов 19 осуществляется следующим образом. Установку и закрепление образцов 19 проводят последовательно, начиная от боковой стенки панели. У обоих концевых частей образца 19 используются одинаковые элементы 20 (при закреплении концевых частей одного и того же образца 19 используется два одинаковых элемента 20, но только при установке они повернуты на 180° относительно друг друга). Образец 19 кладут сверху на ребра 15 и 16 около соответствующих отверстий в дне короба (см. фиг. 2, 3, 5). Сверху на образец 19 накладывают элементы 20 (см. фиг. 5). У элемента 20 лапка 23 расположена выше лапки 22 (см. фиг. 4), поэтому под лапку 23 верхнего элемента 20, расположенного слева на фиг. 5, подкладывают шайбу, толщина которой равна толщине лапки 22. Сначала элементы 20 привинчивают только верхними винтами (см. фиг. 5). Удобнее сначала винты завинчивать «не до упора». Затем рядом с первым образцом на ребра 15 и 16 кладут второй образец. По аналогии с первым образцом, на второй образец сверху накладывают элементы 20. Причем у элемента 20, расположенного справа (см. фиг. 5), лапка 22 заводится под лапку 23 предыдущего элемента 20. А у элемента 20, расположенного слева (см. фиг. 5), лапка 23 накладывается сверху на лапку 22 предыдущего элемента 20. Завинчиваются верхние винты, которыми крепятся элементы 20, закрепляющие второй образец. В такой же последовательности устанавливаются третий и остальные образцы 19. Когда устанавливают последний образец 19, то под лапку 23 элемента 20, расположенного справа (см. фиг. 5), подкладывают шайбу, толщина которой равна толщине лапки 22. Когда все образцы 19 установлены, винты, которыми крепятся к панели элементы 20, докручиваются «до упора».
Образцы 18 (см. фиг. 2, 5) одной своей концевой частью опираются на ребро 14 (см. фиг. 2, 3), а другой концевой частью неподвижно с помощью винта крепятся к выступу 13 в виде утолщения дна панели.
Ненагруженные образцы 24 и 25 (см. фиг. 5) располагают на дне панели и закрепляют прижимными планками.
Можно сделать запасные «лапки» с другой высотой установки валика 21. Высота соответствующей части ребра и высота установки валика 21 определяют величину прогиба образца (а значит и величину напряжений в образце); обычно эти высоты выбирают такими, чтобы деформации образца были бы в упругой области. Модернизация панели позволила снизить массу панели, разместить на панели большее число образцов (при тех же габаритных размерах панели) и облегчить процесс установки нагруженных образцов на панель. Обычно панель изготавливают из алюминиевого сплава, чтобы масса панели была небольшой.