УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИСПЫТАНИЯ МАТЕРИАЛОВ НА РАСТЯЖЕНИЕ
DEVICE TO TEST MATERIALS FOR TENSILE STRENGTH

Изобретение относится к области исследования физико-механических свойств материалов, а более конкретно - к области исследования их прочностных и трибологических свойств при растяжении, и может быть использовано для количественного определения жесткостных характеристик материала, в том числе жесткостных характеристик и составляющих сил трения спиралеобразных конструкций, например элементов гибкого кабеля при исследовании его механических характеристик.
Известна машина испытательная для механических испытаний материалов на растяжение по патенту РФ на изобретение №2243535, МПК G01N 3/08.
Машина испытательная для механических испытаний материалов на растяжение содержит нагружающее устройство, состоящее из основания, колонн, траверсы, силового привода нагружения, электротензометрического датчика силы, пассивного и активного захватов, датчика деформации, датчика перемещения активного захвата, блока измерения деформации, блока управления нагружением или перемещением активного захвата и ЭВМ с программным обеспечением автоматического расчета механических характеристик материала испытуемого образца по результатам измерения параметров испытания. Датчик измерения деформации выполнен в виде двух метрологически идентичных и механически и электрически независимых тензопреобразователей, соединенных с блоком измерения деформации, имеющим два выхода: в виде половины суммы сигналов двух преобразователей и разности этих сигналов, по которым ЭВМ вычисляет механические характеристики материалов (пределов упругости, текучести и прочности) по формулам. Автоматическое управление и вычисление механических характеристик повышает достоверность исследований.
Однако этой машиной невозможно получить точную информацию о механических характеристиках материалов, т.к. необходима обработка сигналов. На это требуется время, возможны погрешности при расчете этих характеристик. Кроме этого, наличие дополнительных элементов усложняет конструкцию устройства и влияет на точность исследований.
Известна машина для испытания материалов на растяжение и сжатие по патенту РФ на изобретение №2240530, МПК G01N 3/08, опубл. 20.11.2004, которая принята за прототип заявляемому устройству. Машина содержит силовую раму, выполненную в виде основания и неподвижной траверсы, связанных между собой колоннами, подвижную траверсу, которая перемещается вдоль колонны (направляющих). Механизм передвижения траверсы выполнен в виде ходовых винтов и гаек, установленных в подвижной траверсе. Ходовые винты нижним концом размещены в узле упорных подшипников и связаны с редукторами. Верхний конец винтов закреплен на подвижной траверсе через подшипник. Вращение ходовых винтов осуществляется от электродвигателя через ременную передачу и редукторы, червяки которых связаны соединительным валом. Для того чтобы предотвратить резкое соударение траверсы с резьбовой частью ходовых винтов и снизить возможность возникновения резонанса машины гайка в подвижной траверсе закреплена через высокоэластичный элемент и компенсатор. Для испытания материалов на растяжение машина снабжена захватами (держателями) для образца. Неподвижный захват закреплен на основании, а подвижный захват на силоизмерителе, который закреплен на подвижной траверсе. При работе машины в режиме сжатия захваты заменяются нажимными плитами.
В сравнении с предыдущем аналогом эта машина имеет более простую конструкцию.
Недостатками данной машины являются низкая достоверность механических характеристик образцов испытываемых материалов, ограниченность области применения и низкая информативность и точность измерений. Измеряется только значение приложенной нагрузки, при которой уже происходит деформация образца, а не полностью воссоздается картина, и как это происходит постепенно в процессе испытаний. И деформация не измеряется.
Задача - быстро и с большой точностью и достоверностью исследовать физико-механические механические характеристики материалов во время всего цикла испытаний, в том числе трибологические характеристики, тем самым расширить функциональные возможности устройства и диапазон исследований, не усложняя конструкцию устройства.
Технический результат при реализации изобретения, который позволяет решить поставленную задачу, заключается в получении (отображении) информации об изменениях, происходящих в испытуемом образце в реальном масштабе времени, и в высокой чувствительности датчиков к деформациям образца.
Задача решена следующим образом. Так же, как и прототип, заявляемое устройство содержит основание, направляющие, установленные на основании, реверсивный электродвигатель, редуктор, соединенный с реверсивным электродвигателем, два держателя для образца, один из которых закреплен неподвижно, а другой установлен с возможностью перемещения вдоль направляющих и соединен с редуктором посредством винтовой передачи, датчик регистрации усилий и регистрирующую аппаратуру. Но в отличие от прототипа заявляемое устройство содержит датчик перемещения, при этом датчик перемещения и датчик регистрации усилий выполнены оптико-механическими, каждый из них в виде излучателя, фотодатчика и диска с прорезями, расположенного между излучателем и фотодатчиком, а редуктор выполнен зубчатым, причем датчик перемещения с помощью реечной передачи соединен с подвижным держателем образца и его диск с прорезями установлен на одном валу с зубчатым колесом реечной передачи, а диск с прорезями датчика регистрации усилий установлен на одном валу с зубчатым колесом редуктора, второе зубчатое колесо которого выполнено с внутренней резьбой и выполняет роль гайки, насаженной на ходовой винт винтовой передачи, посредством которой подвижный держатель образца соединен с зубчатым редуктором, кроме того, в качестве регистрирующей аппаратуры использован компьютер, а датчики с компьютером соединены через порт мыши. В частных случаях выполнения неподвижный держатель образца установлен с возможностью регулирования его положения, например с помощью винта и гайки. Держатели образца могут быть съемными, а направляющие установлены вдоль основания.
Совокупность существенных признаков, которая характеризует заявляемое в качестве изобретения устройство, в известных источниках информации не обнаружена, что подтверждает новизну предлагаемого изобретения.
Механизмом нагружения в заявляемом устройстве является зубчатый редуктор, реверсивный электродвигатель и винтовая передача.
В заявляемом устройстве датчик перемещения соединен зубчатой реечной передачей с подвижным держателем образца, а датчик регистрации усилий - непосредственно с механизмом нагружения. Такое соединение датчиков повышает точность измерений и достоверность полученных результатов.
Поскольку датчики соединены с персональным компьютером через порт мыши, становится возможным быстро и точно исследовать механические характеристики материалов, т.е. решить поставленную задачу. Это связано с тем, что любые перемещения образца, а также приложенные усилия мгновенно отражаются на мониторе.
Из уровня техники известны оптико-механические датчики, выполненные в виде фотодатчика, излучателя и диска с прорезями, установленного между ними (Патенты на изобретение РФ №№2289119; 2244290; на полезную модель №58523). Однако их связь с механизмом нагружения и держателями образцов происходит через дополнительные блоки: индикаторы и индикатор и зубчатую передачу (Патент 58523). А непосредственное соединение датчика регистрации усилий с механизмом нагружения (установлен на одном валу редуктора), а также связь с держателем образца датчика линейных перемещений через реечную передачу в известных источниках не обнаружены.
Размещение дисков с прорезями на валах зубчатых колес редуктора и реечной передачи между излучателем и фотодатчиком, соединение излучателя и фотодатчика через порт мыши с компьютером позволяют без дополнительного блока согласования преобразовать даже незначительные механические перемещения в электрический сигнал, воспринимаемый компьютером. По сути, датчики являются одновременно и датчиком регистрации усилия, скорости и перемещения, и блоком согласования (преобразователем) с компьютером. Это явным образом не следует из уровня техники и подтверждает наличие изобретательского уровня у заявляемого устройства. Высокая чувствительность датчиков позволяет зафиксировать те незначительные изменения, которые возникают между элементами в спиралеобразном многоэлементном изделии.
Это позволяет испытывать элементы, например кабеля, внутри самого кабеля, не разбирая его, и исследовать и определять трибологические характеристики. Устройства, позволяющие это осуществить, в известных источниках информации не обнаружены. Что также подтверждает наличие изобретательного уровня у заявляемого технического решения.
На фиг.1 показана общая схема устройства, на фиг.2 - схематично вид датчика перемещения. На фиг.3 - вид датчика регистрации усилий.
Устройство состоит из механизма нагружения, держателей образцов и измерительной системы (фиг.1).
На основании 1 установлены зубчатый редуктор 2 и кронштейн, с которыми соединены направляющие 3. Редуктор 2 соединен с реверсивным электродвигателем (мотор - редуктором) 6. Одно из колес зубчатого редуктора 2 вместе с винтом 4 связано резьбой, т.е. образует соединение винт - гайка. Другой конец винта 4 соединен с держателем 5 образца 7. Второй держатель соединен также с передачей винт - гайка 9, предназначенной для регулировки его положения.
Измерительная система устройства состоит из датчика перемещения 10, совмещенного с реечной передачей. Рейка датчика 10 жестко соединена с держателем 5 образца 7. Измерительная система состоит также из датчика регистрации усилий 11, установленного на валу зубчатого колеса редуктора 2. Датчики 10, 11 размещены на стойке, которая установлена на основании 1. В измерительную систему входит также регистрирующая аппаратура, роль которой выполняет компьютер. Датчики 10, 11 соединены непосредственно с компьютером (не показано). Датчики 10, 11 (фиг.1) выполнены оптико-механическими. Датчик регистрации усилий 11 установлен следующим образом: на вал 12 зубчатого колеса редуктора 5 надет легкий диск 13 с прорезями (фиг.3). Диск 13 установлен между излучателем инфракрасного излучения 14, роль которого выполняет инфракрасный излучающий диод, и фотодатчиком 15 (фоторезистором). Фотодатчик 15 и излучатель 14 соединены с компьютером через порт мыши. В датчике перемещения 10 (фиг.1) диск 13 с прорезями установлен на валу 16 зубчатого колеса 17 реечной передачи (фиг.2). Датчик 10 зубчатой рейкой 18 соединен с держателем 5 образца 7. Фотодатчик 15 и излучатель 14 через порт мыши соединены с компьютером.
Устройство работает следующим образом. От электродвигателя 6 движение передается через зубчатый редуктор 2 к винту 4, который в свою очередь приводит в движение держатель образца 5 с образцом 7.
В результате перемещения образца 7 приводится в движение реечная передача, которая преобразует возвратно-поступательное перемещение образца 7 во вращательное движение зубчатого колеса 17 и диска 13 с прорезями. Измеряемые перемещения преобразуются в электрические импульсы в датчиках 10, 11. Происходит это следующим образом. Возвратно-поступательное движение держателя 5 образца 7 преобразуется во вращательное движение оси диска 13 с прорезями (прерывателем), через который проходит (или не проходит) поток инфракрасного излучения от излучателя 14 (фиг.2) (инфракрасный излучающий диод). Таким образом, при вращении диска 13 поток излучения прерывается, что регистрируется соответствующим фотодатчиком 15 (фототранзистором).
Датчик регистрации усилий 11 работает аналогичным образом. В отличие от датчика перемещений 10 не требуется преобразования движения, т.к. диск установлен на вращающемся валу механизма нагружения.
Информация от датчиков 10, 11 (фиг.1) вводится в компьютер через порт мыши. Каждый импульс прошедшего излучения рассматривается как перемещение на один шаг по одной из координат (координате перемещения или усилия). Питание инфракрасного излучателя 14 и фотодатчика 15 осуществляется от компьютера через порт мыши.
Непосредственная связь датчиков 10, 11 через порт мыши с компьютером дает возможность, используя соответствующие программы, на мониторе получить диаграммы в реальном масштабе времени: напряжение - деформация; усилие (скорость) - время и перемещение (деформация) - время, а обрабатывая их с помощью математических программ, - механические характеристики материалов: пределы упругости, текучести, модуль упругости и т.д. Чувствительность датчиков позволяет на этом устройстве получить и трибологических характеристик материалов: силы и работу трения, коэффициенты сухого и вязкого трения и т.д.
Работа устройства при испытании спиралеобразных образцов (тросов, кабеля и т.п.) показана на примере испытания кабеля на прочностные и трибологические свойства при растяжении. При испытании кабеля один конец испытуемого элемента (жилу, оболочку, сердечник) соединяют с подвижным держателем, а другой его конец (со стороны неподвижного держателя) оставляют свободным. В неподвижном держателе устанавливают остальные элементы кабеля, не подвергаемые испытанию. При растяжении (перемещении держателя 5) происходит выдергивание испытуемого элемента из кабеля. При этом измеряемое усилие с помощью датчика 11 является усилием трения между элементами кабеля. С помощью датчиков 10, 11 получаем диаграмму усилие трения - перемещение.