УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИСПЫТАНИЯ НА ДЛИТЕЛЬНУЮ ПРОЧНОСТЬ ОДНОНАПРАВЛЕННЫХ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Полезная модель относится к испытательным устройствам, а именно к установкам для испытания на длительную прочность однонаправленных полимерных композиционных материалов.
Известна установка для испытания материалов на длительную прочность, содержащая станину, траверсы, активный и пассивный захваты образца, рычажный нагружающий механизм, связанный с пассивным захватом, механизм поддержания постоянной нагрузки, включающий связанный с активным захватом ходовой винт и соединенный с ним привод его перемещения, выполненный в виде установленного на станине гидроцилиндра соосно ходовому винту, снабженному двумя гайками, одна из которых связана с неподвижной траверсой, другая - с приводом его перемещения, блоками и перекинутыми через них соответствующими гибкими тягами с грузом, а на боковых поверхностях каждой из гаек выполнены кольцевые проточки для намотки соответствующих гибких тяг, между активным захватом и связанным с ним ходовым винтом установлены дополнительные активный и пассивный захваты, причем дополнительный активный захват соединен с ходовым винтом, а дополнительный пассивный захват соединен с активным захватом образца с помощью винта с гайкой, между которой и активным захватом образца расположена неподвижная траверса, между дополнительными захватами установлен динамометр с возможностью его снятия без разгрузки испытуемого образца (Патент RU №2164345, 2001).
Наиболее близким по технической сущности решением является установка для испытания на длительную прочность однонаправленных полимерных композиционных материалов, содержащая станину, активный и пассивный захваты образца, рычажный нагружающий механизм, установленный на станине гидроцилиндр, датчик перемещений, установленный между захватами, датчик усилий, размещенный между активным захватом и одним концом рычажного нагружающего механизма, другой конец которого шарнирно связан с гидроцилиндром, шлейфовый осциллографом, соединенный с датчиками перемещений и усилий, а пассивный захват соединен с грузом (Патент на полезную модель RU №80572, 2006).
Недостатками является:
1) датчик перемещений установленный между активным и пассивным захватов не способен с высокой точностью зафиксировать изменение формы образца;
2) установка для испытания на длительную прочность однонаправленных полимерных композиционных материалов не способна реализовать автоматического включения и выключение измерительной аппаратуры при испытания однонаправленных полимерных композиционных материалов.
Цель полезной модели - улучшение точности измерения и возможности автоматического включения и выключение измерительной аппаратуры при испытания однонаправленных полимерных композиционных материалов.
Указанная цель достигается тем, что установка для испытания на длительную прочность однонаправленных полимерных композиционных материалов, содержащая станину, активный и пассивный захваты образца, рычажный нагружающий механизм, установленный на станине гидроцилиндр, датчик перемещений, датчик усилий, шлейфовый осциллограф, соединенный с датчиками перемещений и усилий, а пассивный захват соединен с грузом, снабжена устройством для измерения усилий, перемещений и времени до разрушения образца, в состав которого входит датчик усилий, неподвижная трубчатая направляющая, телескопическая подвижная направляющая, к которой подвешен груз, при этом датчик усилий установлен между рычажной нагружающей и неподвижной трубчатой направляющей, которая соединена с телескопической подвижной направляющей, на внешней части неподвижной трубчатой направляющей жестко укреплена платформа крепления датчика перемещений, выполненная виде диска, с одной стороны которого жестко укреплен датчик перемещений с помощью контргаек, с другой стороны закреплена штанга, на которой закреплены фиксаторы, подпружиненные к упорам, на подвижной части телескопической подвижной направляющей жестко установлена платформа крепления микропереключателей, выполненной виде диска, платформы крепления датчика перемещений и крепления микропереключателей соединены между собой через датчик перемещений, соединенный через подвижный элемент со сферическим подшипником, укрепленным на платформе крепления микропереключателей, которая другой стороной соединена со штангой с возможностью возвратно поступательного перемещения.
Анализ известных технических решений (аналогов) в исследуемой области и смежных областях позволяет сделать вывод об отсутствии в них признаков, сходных с существенными отличительными признаками в заявленном устройстве.
На фиг.1 изображен общий вид установки для испытания на длительную прочность однонаправленных полимерных композиционных материалов. На чертеже фиг.2. изображено устройство для измерения усилий, перемещений и времени до разрушения образца. Установка содержит станину 1, рычажный нагружающий механизм 2, груз 3 связанный с устройством для измерения усилий, перемещений и времени до разрушения образца 4, который прикреплен к одному концу рычажного нагружающего механизма 2, через шарнир 5 закрепленного на станине 1, другим концом - к штоку гидроцилиндра 6, установленного на станине 1. Шлейфовый осциллограф 7 подключен к датчику усилий 8 и перемещений 9, датчик усилий 8 установлен между рычажным нагружающим механизмом 2 и неподвижной трубчатой направляющей 10, которая соединена с телескопической подвижной направляющей 11. На внешней части неподвижной трубчатой направляющей 10 жестко укреплена платформа крепления датчика перемещений 12, выполненная виде диска, с одной стороны которого жестко укреплен датчик перемещений 8 с помощью контргаек 13 и 14, с другой стороны закреплена штанга 15, на которой закреплены фиксаторы 16 и 17 подпружиненные пружинами 18 и 19 к упорам 20 и 21, на подвижной части телескопической подвижной направляющей 11 жестко установлена платформа крепления микропереключателей 22, выполненной виде диска, платформы крепления датчика перемещений 12 и крепления микропереключателей 22 соединены между собой через датчика перемещений 9, соединенный через подвижный элемент 23 и сферический подшипник 24, укрепленный на платформе крепления микропереключателей 22, которая другой стороной соединена со штангой 15 с возможностью возвратно поступательного перемещения, микропереключатели 25 укреплены на платформа крепления микропереключателей 22 обеспечивающие автоматическое включение измерительной аппаратуры, образец 26 установленный между неподвижной трубчатой направляющей 10 и телескопической подвижной направляющей 11. К направляющим 10 и 11 с помощью разрезных зажимов и винтовых фиксаторов 28 и 29 крепятся платформа крепления датчика перемещений 12 и платформа крепления микропереключателей 22. В платформе крепления микропереключателей 22 имеющую резьбовое отверстие М20х1 ввернут датчика перемещений ВИ-6 9, положение которого фиксируется контргайками 13 и 14. В связи с тем, что резьба не обеспечивает центрирования, а на корпусе датчика ВИ-6 9 не предусмотрено центрирующих поверхностей, возможны несоосность и перекосы датчика перемещения ВИ-6 9 и подвижного элемента 23. Для исключения заклинивания подвижного элемента 23 в этих случаях, его конец крепится к платформе крепления микропереключателей 22 через сферический подшипник 24, обойма 30 которого завальцована в платформе крепления микропереключателей 22. Фиксация подвижного элемента 23 в подшипнике осуществляется с помощью резьбовой втулки 31 и гайки 32. К платформе крепления микропереключателей 22 также крепится штанга 15, которая является направляющей, исключающей взаимные угловые перемещения подвижной и неподвижной частей устройства. Конец штанги 15 свободно перемещается в отверстии, выполненном в платформе крепления микропереключателей 22. На платформе крепления микропереключателей 22 также крепятся микропереключатели 25 и 27, обеспечивающие автоматическое включение измерительной аппаратуры при нагружении образца и ее выключение при разрушении образца. Воздействие на микропереключатели осуществляется упорами 20 и 21 через пружины 18 и 19, обеспечивающими сохранность микропереключателей при превышении перемещений упоров 20 и 21 по сравнению с ходом штоков микропереключателей 25 и 27. Положение упоров регулируется с помощью направляющих 33 и 34 и закрепляется фиксаторами 16 и 17. Образец 26 размещается между подвижной и неподвижной частями устройства с помощью резьбовой втулки 31, вворачиваемой в неподвижную направляющую 10 и подвижную направляющую 11. Усилия на образец 26 передаются через зажимные устройства 35 и 36. К резьбовой втулке 37 последовательно с неподвижной направляющей 10 крепится датчик усилий ЛХ-143 8, на противоположном конце которого ввернут шарнирный узел крепления устройства 38. К подвижной телескопической направляющей 11 прикрепляется заданный груз 3, подвешиваемый на кронштейне 39, который вставляется в накидную гайку 40.
Установка работает следующим образом. Подготавливается партия образцов из однонаправленных полимерных композиционных материалов одинаковой длины и толщины. Проводится экспериментальное определение площади поперечного сечения образцов. Шток гидроцилиндра 6 соединяют с одним концом рычажного нагружающего механизма 2, опирающимся на шарнир 5. Ко второму концу рычага прикрепляется, датчик усилий 8 установлен между рычажным нагружающим механизмом 2 и неподвижной трубчатой направляющей 10, которая соединена с телескопической подвижной направляющей 11, на внешней части неподвижной трубчатой направляющей 10 жестко укреплена платформа крепления датчика перемещений 12, выполненная виде диска, с одной стороны которого жестко укреплен датчик перемещений 9 с помощью контргаек 13 и 14 с другой стороны закреплена штанга 15, на которой закреплены фиксаторы 16 и 17 подпружиненные к упорам 20 и 21 на подвижной части телескопической подвижной направляющей 11 жестко установлена платформа крепления микропереключателей 22, выполненной виде диска, платформы крепления датчика перемещений 12 и крепления микропереключателей 22 соединены между собой через датчика перемещений 9, подвижный элемент 23 и сферический подшипник 24, укрепленный на платформе крепления микропереключателей 22, которая другой стороной соединена со штангой 15 с возможностью возвратно поступательного перемещения, микропереключатели 25 и 27 укреплены на платформа крепления микропереключателей 22 обеспечивающие автоматическое включение измерительной аппаратуры, образец 26 установленный между неподвижной трубчатой направляющей 10 и телескопической подвижной направляющей 11.
Нагружение образца осуществляется при перемещении конца рычага с образцом 26 с заданной скоростью, при котором груз 3, закрепленный на конце образца 26, отрывается от предварительной опоры.
Изменение закона приложения нагрузки достигается за счет плавного изменения скорости перемещения штока гидроцилиндра 6, а также за счет ступенчатого изменения скорости перемещения конца рычага при перестановке шарнира в новые дискретные положения.
Такая конструкция системы нагружения позволяет подобрать закон приложения нагрузки, обеспечивающий минимальное значение коэффициента динамичности.
Осуществляется нагружение образца с помощью гидроцилиндра 6, при этом через микропереключатели 25 и 27 подается импульс на включение измерительной аппаратуры, до его разрушения при этом происходит мгновенное автоматическое выключение. При этом на светочувствительную ленту производится запись диаграмм изменения сил и перемещений. По диаграмме перемещений определяется реальная скорость перемещения штока гидроцилиндра и осуществляется определение закона изменения деформаций образца. По диаграмме сил с помощью имеющихся на светочувствительной ленте тарировочных меток определяется закон изменения сил и разрывное усилие. По полученным значениям площади поперечного сечения образцов осуществляется пересчет сил в напряжения и строится диаграмма растяжения образца в координатах напряжения - деформации. По полученной диаграмме определяется значение предела прочности образца. Работы повторяются при различных скоростях перемещения штока гидроцилиндра. Определяется зависимость предела прочности образцов от скорости приложения нагрузки.
Достоверные результаты могут быть получены при испытаниях однонаправленного полимерного композиционного материала при приложении некоторой массы, т.е. "мертвого" груза, что соответствует реальным условиям нагружения корпуса РДТТ. Такое нагружение сопровождается динамическими эффектами - ростом перемещений и относительных деформаций по сравнению со статическими.
В настоящее время отсутствуют данные как теоретические так и экспериментальные о влиянии отмеченных динамических эффектов на дальнейшее поведение материала.
Анализ решения динамического поведения призматического стержня, нагруженного "мертвым" грузом с заданной скоростью приложения нагрузки, позволяет сделать вывод о том, что наиболее общим случаем нагружения является режим линейного возрастания нагрузки.
Реализация предложенного закона нагружения образца определяет требования к экспериментальной установке - возможность приложения нагрузки по линейному закону ее нарастания за время. Необходимо проведение тарировки измерительных каналов непосредственно перед испытаниями каждого образца с регистрацией данных тарировки на светочувствительной ленте осциллографа. Для определения зависимости динамических эффектов от закона приложения нагрузки показания измерительных каналов должны фиксироваться на ленте шлейфового осциллографа одновременно с временными метками. Установка должна обеспечивать возможность дискретного изменения величины груза. Для определения времени до разрушения необходима фиксация времени начала испытаний и времени момента разрыва образца с достаточной точностью.
Изобретение позволяет повысить точность измерения и возможность автоматического включения и выключение измерительной аппаратуры при испытания однонаправленных полимерных композиционных материалов.