СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЭНЕРГИИ ПРОБИВАНИЯ ОБРАЗЦА МАТЕРИАЛА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF DETERMINING BREAKING ENERGY OF MATERIAL SAMPLE AND DEVICE TO THIS END

Изобретение относится к области исследования свойств материалов, а именно к способу определения энергетической характеристики пробивания образца материала и устройству для этих целей.
Наиболее близким к предлагаемому является способ определения энергии пробивания образца материала, заключающийся в замере параметров процесса пробивания образца материала, установленного в обойме ударником (см. Авторское свид. №1153265, опубл. 30.04.85 в бюл. №16).
Недостатком его является сложность замера скоростей выбиваемой пробки, ограничительные условия на испытываемый материал, его свойства, низкая точность получаемых результатов.
Изобретением решается задача - расширение возможностей способа, упрощение измерения параметров процесса пробивания, повышение точности результатов при любых видах разрушения материала, в том числе при образовании осколков.
Для достижения названных задач в предлагаемом способе определение энергии пробивания образца материала осуществляют путем замера параметров процесса пробивания образца материала, установленного в обойме ударником, причем образец устанавливают в обойме с возможностью перемещения ее по направляющим, ударник разгоняют в направлении образца до скорости пробивания материала навылет и попадания в подвижный улавливатель, при этом замеряют скорость ударника до момента взаимодействия с образцом, скорость обоймы после пробивания и окончания переходного процесса, скорость улавливателя после улавливания ударника и продуктов пробивания и окончания переходного процесса, а энергию, затраченную на пробивание, определяют по формуле
где
p
m - масса ударника;
p0
v - скорость ударника до момента взаимодействия с образцом;
1
M - масса обоймы;
2
М - масса улавливателя;
1
v - скорость обоймы после пробивания;
2
v - скорость улавливателя после улавливания ударника и продуктов пробивания;
t1
m - масса образца после пробивания;
tp
m - масса продуктов пробивания.
Отличительные признаки предлагаемого способа заключаются в установке образца в обойме с возможностью перемещения ее по направляющим, причем ударник разгоняют в направлении образца до скорости пробивания материала навылет и попадания в подвижный улавливатель, при этом замеряют скорость ударника до момента взаимодействия с образцом, скорость обоймы после пробивания и окончания переходного процесса, скорость улавливателя после улавливания ударника и продуктов пробивания и окончания переходного процесса, а энергию, затраченную на пробивание, определяют по формуле
где
p
m - масса ударника;
p0
v - скорость ударника до момента взаимодействия с образцом;
1
M - масса обоймы;
2
М - масса улавливателя;
1
v - скорость обоймы после пробивания;
2
v - скорость улавливателя после улавливания ударника и продуктов пробивания;
t1
m - масса образца после пробивания;
tp
m - масса продуктов пробивания.
В этом же авторском свидетельстве описано наиболее близкое к предлагаемому техническое решение устройства для осуществления способа определения энергии пробивания образца материала, содержащее корпус, обойму с образцом материала, ударник и улавливатель (см. Авторское свид. №1153265, опубл. 30.04.85 в бюл. №16).
Недостатком его является сложность замера скоростей выбиваемой пробки, ограничительные условия на испытываемый материал, его свойства, низкая точность получаемых результатов при образовании осколков материала образца.
Изобретением решается задача - расширение технологических возможностей, упрощение устройства, повышение точности результатов при любых видах разрушения, в том числе при образовании осколков образца.
Для достижения названного технического результата предлагается устройство, которое содержит корпус, обойму с образцом материала, ударник и улавливатель, при этом обойма и улавливатель выполнены в виде инерционных тел массой, равной 1000-1500 масс ударника, и установлены подвижно относительно корпуса устройства на направляющих так, что в каждом теле одна из главных центральных осей инерции совпадает с траекторией движения ударника до момента начала пробивания, кроме того, обойма и улавливатель снабжены втулками из материала с низким коэффициентом трения, например фторопластовыми, установленными между ними и направляющими и демпфирующими устройствами, цилиндры которых жестко связаны с корпусом, а концы штоков отстоят от обоймы и улавливателя на расстоянии 5-15 мм, устройство может быть снабжено телами качения, установленными между направляющими и инерционными телами.
В отличие от известного в предлагаемом устройстве обойма и улавливатель выполнены в виде нерционных тел массой, равной 1000-1500 масс ударника, и установлены подвижно относительно корпуса устройства на направляющих так, что в каждом теле одна из главных центральных осей инерции совпадает с траекторией движения ударника до момента начала пробивания, при этом обойма и улавливатель снабжены втулками из материала с низким коэффициентом трения, например фторопластовыми, установленными между ними и направляющими и демпфирующими устройствами, цилиндры которых жестко связаны с корпусом, а концы штоков отстоят от обоймы и улавливателя на расстоянии 5-15 мм, кроме того, устройство может быть снабжено телами качения, установленными между направляющими и инерционными телами.
Предлагаемый способ определения энергии пробивания образца материала и устройство для осуществления этого иллюстрируется чертежом, где изображена схема устройства.
x1
х2
Устройство содержит корпус 1, выполненный, например, в виде цилиндра, снабженного дисковыми фланцами по торцам и установленного на массивном основании, обойму 2 с образцом 3 материала, ударник 4 и улавливатель 5. Обойма 2 и улавливатель 5 выполнены в виде инерционных тел массой, равной 1000-1500 масс ударника 4, и установлены подвижно относительно корпуса 1 устройства на направляющих 6 так, что главные центральные оси инерции J, J этих тел совпадают и с траекторией движения ударника 4 до момента начала пробивания. Это позволяет исключить образование моментов сил, действующих на образец 3 и обойму 2 в начальный момент пробивания образца материала, и угловых колебаний обоймы 2 относительно главных центральных осей инерции после пробивания образца 3 материала, а также снизить угловые колебания улавливателя 5 после улавливания ударника 4. Обойма 2 и улавливатель 5 снабжены втулками 7 из материала с низким коэффициентом трения, например фторопластовыми, установленными между ними и направляющими 6, снижающими потери энергии в системе и демпфирующими устройствами 8, 9, например, гидравлическими, цилиндры которых жестко связаны с корпусом 1, а концы штоков отстоят от обоймы 2 и улавливателя 5 на расстоянии 5-15 мм. Снабжение демпфирующими устройствами позволяет увеличить надежность и долговечность устройства для осуществления способа определения энергии пробивания образца материала при длительной эксплуатации и высоких динамических нагрузках на элементы устройства. Устройство может быть снабжено телами качения (не показаны), установленными между направляющими 6 и инерционными телами (обоймы 2 и улавливателя 5). Возможна установка обоймы 2 и улавливателя 5 с использованием тел качения, например, на тележке, которая на колесиках движется по направляющим 6, при этом колесики могут быть установлены на осях тележки с помощью подшипников.
Разгон ударника осуществляется с помощью пушки 10, например, газовой. Устройство снабжено отсекателем 11 для отделения поддона 12 от тела ударника 4. Скорость обоймы 2 измеряются индуктивным датчиком 13, сердечник которого связан с обоймой, а обмотка расположена на корпусе 1. Скорость улавливателя 5 измеряется индуктивным датчиком 14, сердечник которого связан с улавливателем 5, а обмотка расположена на корпусе 1. Кроме того, улавливатель 5 снабжен демпфирующим материалом 15, например смола, гель, и т.п., расположенным в области попадания осколков образца 3 и ударника 4 в улавливатель 5. Поскольку обойма 2 и улавливатель 5 выполнены массивными, а именно их масса равна 1000-1500 масс ударника 4, то скорости обоймы 2 и улавливателя 5 существенно меньше скорости ударника 4, и замеры скоростей инерционных тел не представляют технической трудности и могут быть измерены с большой точностью, что увеличивает точность измерения энергии пробивания образца в широком диапазоне характеристик материала.
Предлагаемый способ осуществляется следующим образом.
Образец 3 материала закрепляют в обойме 2. Ударник 4 вылетает из ствола газовой пушки 10 со скоростью от нескольких десятков до тысячи метров в секунду и ударяется в образец 3 материала.
Скорость ударника 4 измеряется до соударения, например, методом "фотофиниша" с помощью двух фотоэлементов в канале ствола пушки 10. Обойма 2 свободно скользит по горизонтальным направляющим 6 с минимальным трением, поскольку между обоймой 2 и направляющими 6 установлены фторопластовые втулки 7.
После пробивания образца 3 материала ударник 4 и продукты пробивания попадают в улавливатель 5, который также может свободно скользить по горизонтальным направляющим 6 с минимальным трением, поскольку между ними и улавливателем установлены фторопластовые втулки 7. Скорости обоймы 2 и улавливателя 5 измеряются индуктивными датчиками 13, 14. Скорости обоймы 2 и улавливателя 5 гасятся демпфирующими устройствами 8, 9. Замеряют скорость обоймы 2 после пробивания образца 3 и окончания переходного процесса, а скорость улавливателя 5 замеряют после улавливания ударника 4 и продуктов пробивания и окончания переходного процесса, а энергию, затраченную на пробивание, определяют по формуле
где
p
m - масса ударника;
p0
v - скорость ударника до момента взаимодействия с образцом;
1
M - масса обоймы;
2
М - масса улавливателя;
1
v - скорость обоймы после пробивания;
2
v - скорость улавливателя после улавливания ударника и продуктов пробивания;
t1
m - масса образца после пробивания;
tp
m - масса продуктов пробивания;
Пример. Определялась энергия пробивания образца материала дуралюмин Д16.
-3
Из исследуемого материала приготовлен образец в виде цилиндрической пластины размерами 5×50 мм. Образец массой 27.00·10 кг помещен в обойму 2.
p
-3
Произведено пробивание образца ударником, движущимся со скоростью 500 м/с. Масса ударника m=5.0·10 кг.
-4
-4
При этом произведены замеры скорости обоймы через 5.0·10 сек после пробивания и скорости улавливателя через 5.0·10 сек после улавливания.
1
Масса обоймы М=10 кг
2
Масса улавливателя М=10 кг
tp
-3
Масса продуктов пробивания - m=0.27·10 кг
t1
-3
Масса образца материала после пробивания m=26.73·10 кг
1
-3
Скорость первой инерционной массы (обоймы) v=2.3·10 м/c
2
-3
Скорость второй инерционной массы (улавливателя) v=247.6·10 м/с
Затем по формуле
определена энергию пробивания образца материала
t
Е=43 Дж
Испытания опытного образца устройства показала на надежность и простоту конструкции и на обеспечение точности определения энергии пробивания.