Установка для испытаний длинных образцов материалов

Полезная модель относится к испытательной технике, а именно к установке для испытания образцов материалов на усталость, в частности для образцов с большим отношением: длина - приведенный размер сечения.
Принципы исследования механических свойств материалов и схемы нагружения образцов изложены в учебнике - Золоторевский СМ. Механические свойства металлов: учебник для вузов. - 2-е изд. - М.: Металлургия, 1983 - 352 с. Большое разнообразие конструктивных решений по созданию испытательного оборудования вытекает из общего требования - испытания должны проводиться в условиях, максимально приближающихся к эксплуатационным по спектру нагружения, среде, температурным условиям и т.д. (Школьник Л.М. Методика усталостных испытаний: справочник. - М.: Металлургия, 1978. - 304 с. - см. с. 7). Отмеченное требование относится к форме и размерам образцов материала.
Часто испытательные установки строят на основе электродвигателей, крутящий момент которых преобразуется в нужную схему нагружения через многообразные кинематические цепи, (патент RU 2017122 С1, опубл. 30.07.1994; патент RU 2337344 С1, опубл. 27.10.2008; патент RU 2029281 С1, опубл. 20.02.1995; патент RU 2472132 С1, опубл. 10.01.2013).
Эксплуатационные возможности испытательных установок при таких схемах построения ограничены. Необходимый диапазон нагрузок на образец материала часто предусматривает сложные настройки, включая использование сменных элементов - кулачков, рычагов и т.п. Кинематические цепи этих установок содержат множества пар трения, которые при эксплуатации требуют трудоемких операций по обслуживанию - чистка, смазка.
Упрощение конструкции испытательной установки может быть достигнуто применением магнитных преобразователей. Используют магнитоэлектрическое преобразование (патент RU 2624595 С1, опубл. 04.07.2017) или электромагнитное преобразование (патент RU 100622 U1, опубл. 20.12.2010; патент RU 194611 U1, опубл. 17.12.2019), в том числе при консольном нагружении вращающихся образцов (патент RU 186689 U1, опубл. 23.01.2019; патент RU 145586 U1, опубл. 20.09.2014).
Однако в известных установках эксплуатационные возможности ограничены, поскольку реализуется узкий диапазон нагрузок, который обусловлен фиксированной величиной массы магнитопроводных инерционных элементов, сопряженных с образцом материала. Известные конструкции установок не позволяют испытывать образцы с большим отношением: длина - приведенный размер сечения.
В изделиях детали такого отношения широко применяются растяжки, подвесы. В дифференциальном датчике давления (патент RU 197698 U1, опубл. 21.05.2020) указанное отношение для растяжки превышает 100. Растяжка работает на кручение при наличии силы растяжения.
Наиболее близкой по технической сущности является установка для ускоренных испытаний материалов на усталость по патенту RU 108843 U1 МПК G01N 3/32, опубл. 27.09.2011. Эта установка принята в качестве прототипа.
В рассматриваемой установке имеются активный захват и установленный на основании пассивный захват. Устройство нагружения электромагнитного типа. В устройство нагружения входит магнитопроводный инерционный элемент, выполненный в виде магнитопроводного стержня, закрепленного на активном захвате. Имеются электрические катушки освобождения и привода. Магнитное поле катушек взаимодействует с магнитопроводным стержнем. Режим незатухающих колебаний (автоколебаний) реализуется применением схемы формирования импульсов привода. Установка реализует изгибные колебания образца материала в одной плоскости. Нежелательные деформации (выход за плоскости колебаний) возможны только в пределах зазора между стержнем и внутренними отверстиями каркасов электрических катушек.
Рассматриваемой установке для ускоренных испытаний материалов свойственны те же недостатки, что и аналогам, а именно - низкие эксплуатационные возможности. Ограничения обусловлены тем, что масса магнитопроводного инерционного элемента (стержня) неизменна, следовательно, неизменна частота колебаний. Судя по описанию полезной модели, к патенту не предусмотрено регулирование энергии импульса привода, значит, амплитуда колебаний фиксирована, соответственно, неизменны механические напряжения в образце материала.
Техническим результатом предлагаемого решения является расширение эксплуатационных возможностей про достаточно простой конструкции испытательной установки.
Решаются задачи:
1. Разработка простой конструкции установки для испытаний длинных образцов материалов.
2. Испытательная установка должна обеспечивать длительные циклические испытания при одновременном воздействии кручения и растяжения.
3. Испытательная установка должна обеспечивать:
регулируемые значения касательных напряжений при кручении и нормальных напряжений при растяжении;
низкие трудозатраты на текущее обслуживание при эксплуатации.
Указанный технический результат достигается тем, что в установке для испытаний длинных образцов материалов, содержащей основание, активный и пассивный, установленный на основании, захваты, устройство нагружения, выполненное в виде магнитопроводного инерционного элемента, закрепленного на активном захвате с возможностью взаимодействия с магнитным полем установленных на основании катушек освобождения и привода, которые связаны с источником тока через схему формирования импульсов привода, магнитопроводный инерционный элемент выполнен в виде осеуравновешенного тела вращения регулируемой массы с образованием магнитного зазора на основе постоянных магнитов, при этом катушки освобождения и привода выполнены единым блоком и расположены в зазоре магнитного контура инерционного элемента, который ориентирован так, что за счет действия ускорения силы тяжести обеспечивает усилия растяжения образца материала, а также тем, что схема формирования импульсов привода выполнена на основе трех транзисторов, содержит четыре резистора, три конденсатора и две шины питания постоянным током, при этом коллекторы первого и второго, а также база последнего соединены через резисторы с первой шиной питания, со второй шиной питания соединен коллектор третьего транзистора, первый конденсатор включен между базой и коллектором первого транзистора, второй конденсатор - между коллектором первого и базой второго, а третий - между коллектором второго и базой третьего транзисторов, эмиттеры первого и второго транзисторов непосредственно, а база третьего транзистора через резистор соединены с общей шиной, первый вывод катушки освобождения подключен к базе первого транзистора, первый вывод катушки привода - к эмиттеру третьего транзистора, а вторые выводы обеих катушек соединены с общей шиной.
Устройство установки для испытаний длинных образцов материалов поясняется чертежами.
Фиг. 1. Вид сверху.
Фиг. 2. Разрез А-А по фиг. 1.
Фиг. 3. Разрез Б-Б по фиг. 1.
Фиг. 4. Разрез В-В по фиг. 1
Фиг. 5. Электрическая принципиальная схема формирования импульсов привода.
Фиг. 6. Расчетная схема.
Принятые обозначения
1. Нижняя пластина
2, 3. Вертикальные стойки
4. Винты крепления перемычки
5. Перемычка
6. Штифты базирования перемычки
7. Опорные ножки
8. Испытываемый образец материала
9, 10. Цанговые зажимы
11, 12. Зажимные гайки
13. Магнитопроводный инерционный элемент (баланс)
14. Втулка баланса
15, 16. Крылья баланса
17, 18. Постоянные магниты
19, 20. Противовесы
21. Электрическая катушка
22. Поворотный кронштейн
23. Планка крепления электрической катушки
24. Винты планки 23
25. Электрический разъем
26. Штифт
27. Упор
28. Винты крепления упора
29. Плоская пружина стопора
30. Винт стопора
31. Тарельчатая пружина стопора
32. Шайба стопора
33. Ручка стопора
34. Дисковая часть корпуса технологической оправки
35. Хвостовик квадратного сечения корпуса технологической оправки
36. Шайба технологической оправки
37. Штифт дисковой части 34
38. Плоская пружина держателя
39. Наконечник пружины держателя
40. Вал ручки поворота держателя
41. Ручка поворота держателя
42. Гайка специальная
43. Шайба
44. Тарельчатая пружина
45. Дополнительный (съемный) груз
Установка состоит из двух блоков - блока режима испытаний и электронного блока, которые соединены электрическим кабелем.
Все элементы блока режима испытаний смонтированы на основании (корпусе). Несущим является нижняя пластина 1, в пазах ее противоположных сторон неподвижно (например, сваркой) закреплены две вертикальные стойки 2, 3. Сверху на стойках с применением крепежных винтов 4 установлена перемычка 5. Для сохранения однозначного положения перемычки в процессе эксплуатации предусмотрены базирующие штифты 6. На нижней пластине предусмотрены опорные ножки 7.
Испытываемый образец материала 8 закрепляется в типовых цанговых зажимах 9, 10 с зажимными гайками 11, 12. На представленных чертежах изображен вариант образца материала круглого сечения. В случае образца с прямоугольным сечением применяют соответствующий цанговый зажим. Верхний цанговый зажим своим резьбовым хвостовиком снизу закреплен на перемычке 5, а нижний цанговый зажим - сверху на магнитопроводном инерционном элементе 13. Исходя из функции этого элемента, воспользуемся терминологией теории автоколебаний (Шарыгин Л.Н, Сорокин А.Л. Автоколебательные системы в средствах измерения и контроля: учебное пособие. - Владимир: изд-во «Атлас», 2016. - 205 с. ISBN 978-5-903087-53-2) и вводим синоним - баланс.
На фиг. 2 изображен баланс на основе единой детали. Из технологический соображений иногда изготавливают баланс составным. В этом случае различают - втулка баланса 14 и крылья 15, 16. Будем иметь в виду эти термины. С внутренней стороны на крыльях баланса с помощью клея закреплены два постоянных магнита 17, 18 осевой намагниченности. Приведение центра масс на ось вращения реализовано за счет противовесов 19, 20. Магнитный поток замыкается по цепи: постоянные магниты - крылья втулка.
0
u
В магнитном зазоре размещена плоская бескаркасная бифилярная (намотанная в два провода) электрическая катушка 21. Одну секцию электрической катушка назовем катушка освобождения W, другую - катушка привода W. Электрическая катушка закреплена в расточке поворотного кронштейна 22 посредством планки 23 и винтов 24. Поворотный кронштейн и планка выполнены из электроизоляционного материала. На поворотном кронштейне закреплен электрический разъем 25. Центром вращения поворотного кронштейна является запрессованный в нижней пластине основания штифт 26. Фиксация поворотного кронштейна в рабочем положении осуществляется за счет упора 27, имеющего стопор. Упор закреплен винтами 28 на нижней планке 1.
Стопор выполнен на основе плоской пружины 29. Один конец плоской пружины посредством винта 30, тарельчатой пружины 31 и шайбы 32 установлен на упоре, а на другом конце плоской пружины методом развальцовки закреплена ручка 33. Нижний конец ручки стопора имеет цилиндристический хвостовик, который в рабочем положении входит в отверстие поворотного кронштейна.
Для удобства монтажных операций предусмотрена технологическая оправка. Корпус технологической оправки имеет дисковую часть 34 и хвостовик квадратного сечения 35, который входит в квадратное отверстие нижней пластины 1. Ограничителем перемещения служит шайба 36, которая винтом 37 закреплена на хвостовике. На дисковой части запрессованы два штифта 37, которые входят в соответствующие отверстия нижнего крыла баланса. На фиг. 2 показан один штифт в положении развернутого на 90°. По осевой линии диска выполнен базирующий цилиндристический наконечник, имеющий на подошве фаску, которая соответствует фаске баланса.
На этапе монтажа образца материала технологическая оправка удерживается в верхнем положении держателем. Держатель выполнен на основе плоской пружины 38, которая на консольном конце содержит наконечник 39 для взаимодействия с шайбой технологической оправки. Второй конец пружины держателя закреплен на валу 40 ручки поворота 41. В этом сопряжении участок квадратного сечения вала входит в квадратное отверстие пружины, затем закручивается специальная гайка 42. Между пружиной и нижней пластиной 1 размещена шайба 43. Необходимый момент трения в этом узле реализуется тарельчатой пружиной 44, размещенной между ручкой и нижней пластиной. При повороте ручки держателя из монтажного положения в рабочее наконечник 39 смещается с шайбы 36 и технологическая оправка опускается до совмещения ее дисковой части с нижней пластиной. В этом положении штифты 37 выходят из отверстий крыла баланса и баланс освобождается. Но цилиндристическая часть базирующего наконечника диска технологической оправки остается в зазоре отверстия втулки баланса.
В процессе испытаний в материале образца материала развиваются дефекты и изгибная жесткость образца изменяется, что может привести к нежелательным изгибным деформациям образца, т.е. может проявиться так называемый маятниковый эффект. Отмеченное выше положение элементов установки блокирует этот эффект - поперечное смещение баланса возможно лишь в пределах засора между цилиндристической частью базирующего наконечника диска технологической оправки и отверстия втулки баланса. Возможные касания являются точечными и практически не влияют на энергетику крутильных колебаний. Заметим, что маятниковый эффект снижается при увеличении массы баланса совместно с массой дополнительного груза 45, который выполнен в форме кольца из намагниченного материала и удерживается на верхнем крыле баланса за счет действия магнитных сил.
Таким образом, нормальная составляющая напряжений в образце материала задается силой тяжести суммарной массы баланса и дополнительного упора. Диапазон изменения растягивающей силы задается комплектом сменных дополнительных грузов 45. Касательную составляющую напряжения в образце задает электронный блок за счет реализации необходимой амплитуды крутильных колебаний баланса.
Электронный блок содержит:
1. Схему формирования импульсов привода (СФИП).
2. Каналы измерения первичных параметров режима испытаний:
канал частоты колебаний f;
канал амплитуды колебаний Ф.
3. Счетчик числа циклов нагружения N.
4. Индикатор для отражения вышепоименованных величин с входным переключателем.
5. Блок вторичного электропитания с тумблером включения и индикатором состояния. Блок питания создает два постоянных напряжения:
1
E - фиксированный уровень для питания функциональных элементов;
2
Е - регулируемый уровень для питания выходного каскада СФИП.
1
u
Схема формирования импульсов привода (фиг. 5) предназначена для обеспечения заданной стационарной амплитуды автоколебаний (соответственно максимального значения касательного напряжения в цикле). Схема представляет собой трехкаскадный усилитель переменного тока. Конденсатор С предназначен для сбоя высокочастотной паразитной генерации. Выходной каскад на транзисторе VT3 представляет собой эмиттерный повторитель, который обеспечивает необходимый уровень импульсного тока в катушке привода W. СФИП обеспечивает мягкий режим возбуждения автоколебаний, что соответствует рис. 1.6 а, вышеупомянутого учебного пособия.
2
u
На фиг. 6 изображено касательное положение электрической катушки и магнитного зазора. При движении баланса против часовой стрелки поле зазора будет пересекать витки катушки, и в катушке будет индуцироваться ЭДС . Направление ЭДС определяется направлением скорости вектора индукции поля и витка катушки. Подключим катушку так, что в пределах угла  ЭДС положительна (соответственно, на второй половине катушка (-) ЭДС будет отрицательна). Положительная полуволна ЭДС будет усилена и обеспечит импульс тока в катушке привода. Амплитуда этого импульса определится уровнем питания Е. Энергия импульса в катушке Wкомпенсирует потери энергии баланса при колебаниях, и установится стационарный режим с постоянной амплитудой колебаний Ф.
Канал частоты электронного блока отражает на индикаторе значение в единицах частоты - Гц.
max
Канал амплитуды отражает на индикаторе значение амплитуды e ЭДС электрической катушки в единицах напряжения - В. Схематически канал представляет собой пиковый детектор.
max
В соответствии с теорией автоколебаний амплитуда e ЭДС пропорциональна частоте f и амплитуде Ф колебаний. Но частота f зависит от массы (точнее момента инерции) дополнительного груза 45. Поэтому документация на испытательную установку комплектуется двухвходовой таблицей, в которой учтены первичные конструктивные параметры установки - величина магнитной индукции в зазоре, число витков электрической катушки, расстояние от оси вращения баланса до осевой линии катушки и т.п. Выходным параметром таблица является амплитуда колебаний баланса Ф в угловых единицах - рад. Таблица составлена для всех возможных амплитуд (с допустимым шагом) от  до . Этому диапазону амплитуд соответствует диапазон максимальных углов закручивания образца материала.
Установка для испытаний длинных образцов материалов работает следующим образом.
Разработчик программы испытаний задает требуемые значения нормального напряжения G при растяжении и выбирает дополнительный груз 45. По заданному значению максимального касательного напряжения т определяют угол закручивания образца, т.е. амплитуду колебаний Ф.
До монтажа образца материала выполняют предварительные операции. Ручкой 33 стопора освобождают и поворачивают в сторону от зоны монтажа (или снимают со штифта 26) поворотный кронштейн 22, обеспечивая сохранность бескаркасной катушки 21. Поднимают и поворотом ручки 41 держателя фиксируют технологическую оправку. Устанавливают баланс 13 на технологическую оправку, базируя по фаске подошвы базирующего наконечника дисковой части 34 и штифтом 37.
Закрепляют образец 8 материала. Для этого снимают со стоек 2, 3 перемычку 5. Затем с помощью гайки 11 закрепляют нижний конец образца в цанговом зажиме 9. Далее устанавливают на баланс дополнительный груз 45. После этого возвращают перемычку в рабочее положение и гайкой 12 закрепляют верхний конец образца в цанговом зажиме 10. Поворотом ручки 41 освобождают технологическую оправку и она опускается до упора в нижнюю плиту 1. Возвращают поворотный кронштейн 22 в рабочее положение и фиксируют его, пользуясь ручкой 33 стопора. Установка готова к проведению эксперимента.
расч
Для задания режима колебаний проводят предварительный эксперимент по выявлению собственной частоты колебаний f. Это можно выполнять по-разному. Например, вручную отклоняют баланс, обеспечивая свободные затухающие колебания, и измеряют частоту f. По прилагаемой таблице находят требуемую амплитуду колебаний Ф.
2
min
2
расч
Ручку регулирования напряжения Е на блоке питания устанавливают в положение min. Включают электропитание. Начинаются автоколебания на некоторой малой амплитуде Ф. Регулируя напряжение Е, доводят амплитуду колебаний баланса до расчетного значения Ф. Эксперимент продолжают в соответствии с принятой программой испытаний.
Таким образом, предлагаемая установка для испытаний длинных образцов материалов конструктивно проста и высокотехнологична. Установка позволяет проводить испытания на кручение с заданной растягивающей силой. Предусмотрено регулирование в широких диапазонах угла закручивания и растягивающей силы. Установка не предполагает высокую квалификацию оператора. Электронный блок выполнен на типовых элементах электроники.