ЗАЖИМНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИСПЫТАНИЯ РЕЗЬБОВОГО СОЕДИНЕНИЯ НА ПЛОСКИХ ОБРАЗЦАХ

Полезная модель относится к области машиностроения, а именно к оснастке для испытания натурных образцов резьбовых соединений на усталостную выносливость.
Известно устройство (стенд) для испытаний образцов резьбовых соединений на усталостную выносливость крупных образцов (RU 140040, опубл. 27.04.2014 г.), которое включает основание со стойкой, тарировочное устройство и колебательную систему, состоящую из испытываемого образца, концы которого закреплены в двух близких по весу траверсах, установленных на винтовых цилиндрических пружинах, расположенных на основании. На стойке основания располагается электродвигатель, соединенный с одной из траверс при помощи гибкого вала и эксцентрика. На испытываемом образце резьбового соединения закреплены одноэлементные линейные тензорезисторы.
При испытаниях в образце возникают напряжения, изменяющиеся во времени по гармоническому закону с некоторой определенной заданной постоянной амплитудой. Измерение напряжений в процессе испытаний осуществляется измерительной системой, состоящей из одноэлементных линейных тензорезисторов.
Недостатком существующего устройства для испытаний на усталость крупных образцов является то, что датчики крепятся к внешней поверхности соединяемых деталей, тогда как усталостные напряжения накапливаются в резьбовой канавке.
Известны зажимные устройства, входящие в состав стендов для испытания полноразмерных образцов свинченных резьбовых соединений на усталостную выносливость длиной около 1 метра и массой, превышающей центнер (В.М.Андренко / Машина для испытаний на усталость крупных образцов. Исследование прочности машиностроительных материалов. Труды ЦНИИТМАШ,1963, № 40, с.104-111; RU 140 040, опубл. 27.04.2014).
Зажимные устройства описанных стендов содержат специальные захваты, траверсы и пружины. Концы испытуемого образца закрепляют в траверсах, а тензорезисторы (датчики деформации) располагают на наружной поверхности образца в плоскости наибольших напряжений. Нагрузкой является изгибающий момент, а выходными данными - количество циклов нагружения (6-7-ми значное число).
Однако очаг разрушения зарождается не на наружной поверхности образца, а на поверхности резьбы, поэтому достоверность результатов испытаний низкая, и оценить усталостную выносливость резьбового соединения натурного образца с использованием известной из аналогов оснастки не представляется возможным.
Кроме того, указанная оснастка позволяет оценивать сопротивление усталости по количеству циклов при условном типе нагружения, что подходит для сравнительных испытаний, однако не подходит для назначения ресурса работы.
Технический результат заключается в создании зажимного устройства, используемого в стендах для испытаний натурных образцов с резьбовыми соединениями и обеспечивающего высокую достоверность результатов испытаний при низкой прикладываемой нагрузке за счет замера деформации и расчета величины напряжения по осевому сечению резьбового соединения.
Технический результат достигается тем, что зажимное устройство для испытания резьбового соединения на плоских образцах содержит плоские корпус и крышку, а также клино-упорную систему, выполненную с возможностью создания усилий затяжки, эквивалентной свинчиванию, для плоского образца с резьбовым соединением, зафиксированного между корпусом и крышкой, выполненной с окном для оптического бесконтактного измерения деформаций по осевому сечению.
Для проведения испытаний готовят набор плоских коротких образцов из одного резьбового соединения из расчета один образец на одну точку испытания.
Размещение плоского образца между плоскими корпусом и крышкой устройства и использование клино-упорной системы позволяют создавать напряжение затяжки резьбового соединения, эквивалентное свинчиванию. Выполнение в крышке окна для оптического бесконтактного измерения деформаций дает возможность оценивать деформацию как непосредственно на поверхности концентратора напряжений, так и в глубине изделия, обеспечивая достоверность оценки.
Полезная модель проиллюстрирована фиг.1, на которой показана конструкция заявляемого зажимного устройства с размещенным испытуемым образцом (вертикальный разрез):
1 - корпус;
2 - крышка;
3 - зажимные болты;
4 - затяжной болт;
5 - затяжная гайка;
6, 7, 8, 9 - система клиньев и упоров (клино-упорная система);
10, 11- испытуемый образец, разрезанный вдоль осевого сечения резьбового соединения;
12 - окно в зоне замера деформаций.
На фиг.2 представлена фотография заявляемого устройства с образцами, установленными в разрывной машине, и настроенной системой оптического бесконтактного измерения деформаций.
В испытаниях участвуют плоские образцы, вырезанные из соединяемых деталей, например ниппель-муфта, которые устанавливают зажимными болтами 3 между плоскими корпусом 1 и крышкой 2. Используя систему клиньев и упоров 6,7,8,9, динамометрическим ключом (не показан) создают усилие затяжки образцов 10,11, эквивалентное свинчиванию резьбового соединения. Контроль осуществляется динамометрическим ключом и оптической бесконтактной системой измерения деформаций (не показана), снимающей показания в зоне замера с помощью окна 12для измерения деформации по осевому сечению.
Готовое к испытанию устройство с образцом закрепляют в разрывную машину через захваты (не показаны), затем осуществляют загрузку и разгрузку, аналогичные весу буровой колонны. В результате в образце возникают переменные напряжения, величины которых в зоне окна 12 снимают с помощью оптической бесконтактной системы в момент нагрузки и разгрузки. По характеру изменения напряжений и его сравнению со свойствами материала образцов делают заключение о сопротивлении усталости резьбового соединения при данном сочетании нагрузок. По многократным испытаниям с разными моментами свинчивания определяют оптимальный момент свинчивания для испытуемого соединения.
Таким образом, использование заявляемого устройства обеспечивает высокую достоверность результатов испытаний при низкой прикладываемой нагрузке за счет замера деформации и расчета величины напряжения по осевому сечению резьбового соединения.
Кроме того, преимущества зажимного устройства по сравнению с известными устройствами следующие:
- возможность получать набор плоских образцов из одного резьбового соединения и использовать его для различных условий испытания, т.е. снижение металлоемкости;
- возможность проводить несколько испытаний на одном образце при низких нагрузках;
- необходимость однократного растяжения образца, при котором осуществляется замер напряжений по всему осевому сечению резьбового соединения;
- непосредственная оценка статической прочности соединения, оценка герметичности (раскрытия стыка);
- косвенная оценка усталостной выносливости.