УСТАНОВКА ДЛЯ МЕХАНИЧЕСКИХ ИСПЫТАНИЙ ОБРАЗЦОВ ИЗ ДЕЛЯЩИХСЯ МАТЕРИАЛОВ ПРИ ПОВЫШЕННЫХ ТЕМПЕРАТУРАХ
INSTALLATION FOR MECHANICAL TESTS OF SAMPLES OUT OF FISSIBLE MATERIALS AT HIGHER TEMPERATURE

Изобретение относится к механическим испытаниям, а конкретно к испытаниям делящихся материалов на растяжение, кратковременную ползучесть при растяжении в вакууме при повышенных температурах.
Известна машина испытательная для механических испытаний материалов на растяжение (патент RU 2243535 с приоритетом от 21.04.2003, опубликован 27.12.2004, G01N 3/08), которая включает в себя нагружающее устройство, состоящее из основания, колонн, траверсы, силового привода нагружения (электрогидравлического или механического), 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 испытываемого образца по результатам измерения параметров испытания. При этом 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 модуль упругости материала испытуемого образца, напряжение изгиба, напряжение от осевой нагрузки и суммарное напряжение с учетом поступающих сигналов от датчика силы и заданной площади поперечного сечения образца.
Основной упор в известной испытательной машине сделан на наличие двух независимых преобразователей датчика деформации и преобразование их показаний для обработки в ПЭВМ для повышения достоверности автоматического определения характеристик материала испытуемых образцов.
Недостатком этой установки является отсутствие возможности размещения установки в герметичном перчаточном боксе для защиты персонала и окружающей среды от воздействия испытуемых делящихся материалов, отсутствие рабочей камеры и нагревателя для испытаний при повышенных температурах, что не решает задачу, поставленную перед разработчиками.
Известны машины испытательные зарубежных фирм: Zwick, MFL, Schrenk (Германия), Instron (Великобритания), MTS (США), для механических испытаний материалов на растяжение, осуществляющие измерение нагрузки и деформации в процессе испытания электрическими приборами, входящими в состав машины, и автоматическое вычисление механических характеристик испытываемых материалов по результатам испытаний (Испытательная техника. Справочник в 2 т. под ред. В.В.Клюева. М.: Машиностроение, 1982, с.46, 54-56, 78, 83).
Недостатком этих машин является отсутствие рабочей камеры для испытания образцов делящихся материалов ввиду их высокой токсичности, пирофорности, химической и радиационной активности.
Известна установка для механических испытаний материалов в различных средах при высоких температурах и давлениях (патент RU 2240531 с приоритетом от 26.02.03, опубликован 20.11.2004, G01N 3/18), которая содержит рабочую камеру с захватами для образца, механизм нагружения, нагреватель, средства подачи газовой среды и контрольно-измерительную аппаратуру, при этом стенки и фланцы рабочей камеры снабжены рубашкой охлаждения, штанги захватов образца и тоководы нагревателя имеют протоки охлаждения, с внутренней стороны рубашки охлаждения расположена теплоизолирующая конструкция, кроме того, на входе в рабочую камеру газовой среды дополнительно введены подпитывающий расширительный бачок с поршнем и регулятором подачи управляющего газа, а нагреватель выполнен в форме спирали и расположен в рабочей камере таким образом, что образец находится внутри спирали.
Недостатком известной машины является невозможность ее использования для механических испытаний образцов делящихся материалов при повышенных температурах без ее конструктивной доработки, что повлечет за собой усложнение конструкции и удорожание испытаний.
Установка для механических испытаний материалов в различных средах при высоких температурах и давлениях выбрана в качестве прототипа.
Задачей, стоящей перед авторами предлагаемого изобретения, является разработка установки для механических испытаний образцов из делящихся материалов при повышенных температурах с возможностью измерения деформаций на рабочей части образца при постоянном нарастании нагрузки с возможностью нагружения и последующей выдержкой образца под нагрузкой в течение нескольких минут, с защитой персонала и окружающей среды от воздействия испытуемых делящихся материалов.
-2
-4
-1
Техническим результатом предлагаемого решения является возможность механических испытаний делящихся материалов при повышенных температурах, получение диаграмм деформирования и кривых ползучести со скоростями деформирования в диапазоне 10-10 с с одновременной защитой персонала и окружающей среды от воздействия испытуемых делящихся материалов, путем двойной герметизации образцов из делящихся материалов.
Технический результат достигается тем, что в установке для механических испытаний образцов из делящихся материалов при повышенных температурах, содержащей рабочую камеру с захватами для образца, механизм нагружения, нагреватель, регистрирующую аппаратуру, рубашку охлаждения, протоки охлаждения, выполненные по крайней мере в одном из захватов, согласно изобретению рабочая камера помещена в герметичный перчаточный бокс для исследования образца из делящихся материалов, регистрирующая аппаратура установлена непосредственно на рабочей части образца и на охлаждаемом захвате, механизм нагружения представляет собой рычаг с грузом, соединенный с одной стороны с захватом, а с другой - с гидравлическим домкратом с клапаном, в рабочей камере в течение периода испытаний поддерживается вакуум, сигналы с регистрирующей аппаратуры поступают на контрольно-измерительную аппаратуру, а с нее - на ПЭВМ.
Захваты могут быть снабжены шарнирами.
Нагреватель может быть снабжен распределителем тепла для выравнивания температурного поля.
Регистрирующая аппаратура может состоять из дифференциально-трансформаторных датчиков измерения деформации и охлаждаемого тензодинамометра.
-2
-1
-2
-4
-1
Для получения кривых кратковременной ползучести металлов и сплавов необходимо производить нагружение за время ~1-2 с, что соответствует скорости деформирования ~10 с, для исключения сопутствующей активному нагружению ползучести (Работнов Ю.Н. Ползучесть элементов конструкций. М.: Наука, 1966, 752 с.). Это требование в предлагаемом решении осуществляется применением рычага с грузами в сочетании с гидравлическим домкратом, клапаном которого производится регулирование скорости нагружения в диапазоне 10-10 с. Возможность проведения испытаний образцов делящихся материалов при повышенных температурах достигается применением герметичной вакуумной рабочей камеры и нагревателя, в котором для выравнивания температурного поля применен распределитель. Требуемая точность определения механических характеристик достигается за счет установки регистрирующей аппаратуры непосредственно на рабочей части образца и на охлаждаемом захвате, соединенном непосредственно с образцом в качестве пассивного захвата, регистрацией сигналов в цифровом виде регистрирующей контрольно-измерительной аппаратурой и ПЭВМ. Необходимая соосность образца и захватов обеспечивается за счет шарнирного крепления образца. Испытание образцов именно из делящихся материалов стало возможным при размещении рабочей камеры в герметичном перчаточном боксе и создании вакуума в рабочей камере. Обработка сигналов, поступающих с регистрирующей аппаратуры на ПЭВМ через контрольно-измерительную аппаратуру, повышает достоверность определения характеристик испытуемых образцов.
-2
-4
-1
Таким образом, заявляемое техническое решение обеспечивает возможность проведения механических испытаний образов из делящихся материалов при повышенных температурах со скоростями нагружения 10-10 с.
На чертеже показан пример конкретного исполнения установки для механических испытаний образцов делящихся материалов при повышенных температурах, где:
1 - поддон;
2 - грузы;
3 - рычаг;
4 - активный захват;
5 - образец;
6 - дифференциально-трансформаторные датчики измерения деформаций;
7 - пассивный захват-охлаждаемый тензодинамометр;
8 - гидравлический домкрат с клапаном;
9 - шарниры;
10 - силовая рама;
11 - охлаждаемый кожух;
12 - нагреватель с распределителем;
13 - крышка;
14 - колпак.
Рабочая камера помещена в герметичном перчаточном боксе (не показан).
Работает установка следующим образом.
Нагружение образца 5 производится грузами 2, уложенными на поддон 1, через рычаг 3. В исходном состоянии вес грузов воспринимается гидравлическим домкратом с клапаном 8, вследствие чего образец 5 не нагружен. При проведении испытания гидравлический домкрат с клапаном 8 разгружается, и нагрузка плавно передается на образец 5. Образец 5 закрепляется в активном захвате 4 и пассивном захвате-охлаждаемом динамометре 7 через шарниры 9. Силовая цепь через пассивный захват-охлаждаемый динамометр 7, образец 5, активный захват 4 и раму 10 замыкается на крышку 13. Пассивный захват-охлаждаемый динамометр 7 одновременно является тензодинамометром для измерения усилия, прикладываемого к образцу. Для измерения удлинения рабочей части образца используются дифференциально-трансформаторные датчики измерения деформаций 6.
В испытаниях при повышенной температуре образца 5 применяется электрический нагреватель с распределителем 12 для создания равномерного температурного поля, что позволяет производить нагрев образца 5 в интервале температур 20-600°С. Охлаждаемый кожух 11, крышка 13 и колпак 14 образуют герметичную полость для создания вакуума, предотвращающего коррозию и возгорание образцов делящихся материалов при испытании их с повышенной температурой. При проведении испытаний с повышенной температурой во избежание нагрева пассивного захвата-охлаждаемого динамометра 7, расположенного в непосредственной близости к нагретому образцу 5, и связанного с этим искажения его показаний последний охлаждается изнутри проточной водопроводной водой (не показано). Температура образца измеряется хромель-копелевой термопарой (не показана).
-2
-4
-1
Благодаря заявляемой совокупности признаков решения появляется возможность механических испытаний делящихся материалов при повышенных температурах, получение диаграмм деформирования и кривых ползучести со скоростями деформирования в диапазоне 10-10 с с одновременной защитой персонала и окружающей среды от воздействия испытуемых делящихся материалов путем двойной герметизации образцов из делящихся материалов.
Изготовлен опытный образец установки, испытан, результаты подтвердили работоспособность установки и получение нового технического результата.