Установка для испытаний образцов на усталость

Полезная модель относится к измерительной технике, а именно к установкам для испытаний образцов материалов на усталость.
Ряд методов и средств испытаний материалов изложен в фундаментальных монографиях Л.М. Школьника (Школьник Л.М. Скорость роста трещин и живучесть металла. - М.: Металлургия, 1973. - 216 с.; Школьник Л.М. Методика усталостных испытаний. Справочник. - М.: Металлургия, 1978. - 304 с). Применение того или иного метода определяется целью исследований. Применяют различные виды нагружения образцов, затем изучают их свойства, например, положение и размеры микротрещин, их развитие в процессе испытаний. Параметры микротрещин выявляют оптическими средствами, при этом в известных установках необходимо периодически снимать образец с испытательного стенда с освобождением от активного и пассивного захватов. Операция перезакрепления образца достаточно трудоемка и не обеспечивает идентичность исходной настройки.
Известна установка для испытания материалов на усталость (патент 145 586 U1 МПК G01N 3/38. /И.О. Груздев, Л.Е, Каткова, Н.А. Елгаев, Л.Н. Шарыгин. Опубл. 20.09.2014, Бюл. №26), в которой предусматривается возможность периодической остановки нагружения образца в положении минимальной жесткости. Но в рассматриваемой установке изучение состояния образца возможно только на части его поверхности.
Механические свойства материала (образца) зависят не только от появления и развития микротрещин, но и от структуры материала, в частности от наклепа. Эти факторы использованы в установке для усталостных испытаний деталей на остаточный ресурс (патент 100 622 U1 МПК G01N 3/32. /А.Н. Сушина, Н.А. Елгаев, Л.Н. Шарыгин. Опубл. 20.12.2010, Бюл. №35).
Механизм усталостного повреждения очень сложен. Пластическая деформация запаздывает относительно прилагаемой нагрузки. Этот фактор учтен в установке для ускоренных испытаний материалов на усталость (патент 108 843 U1 МПК G01N 3/32. / А.Н. Сушина, Н.А. Елгаев, Л.Н. Шарыгин. Опубл. 27.09.2011, Бюл. №27).
Известные установки предполагают значительные трудозатраты на проведение испытаний, которые обусловлены периодическим перезакреплением образца материала. Перезакрепление образца в активном и пассивном захватах нарушает идентичность сопряжения, что может привести к ошибочным выводам по результатам исследований.
Наиболее близкой по технической сущности (прототипом) является установка для испытания образцов на усталость по патенту RU 2624595 С1 МПК G01N 3/32. / Н.А. Елгаев, С.Н. Сысоев, П.А. Шашок, А.А. Дробязко. Опубл. 04.07.2017, Бюл. №19. Данная установка, содержащая основание, пассивный захват образца, установленный на основании, активный захват образца, одним концом связанный с активным захватом и установленный соосно с ним рычаг, электромагнитный возбудитель колебаний и измерительное устройство, фиксатор, выполненный с возможностью периодического соединения рычага с основанием, захваты установлены с возможностью фиксированного поворота вокруг своей оси, связь рычага с активным захватом выполнена в виде разъемного соединения, а возбудитель колебаний и измерительное устройство выполнены в виде двух П-образных магнитных систем, закрепленных на другом конце рычага одна симметрично другой относительно его оси и двух катушек, закрепленных на основании, каждая из которых выполнена с возможностью взаимодействия с соответствующей П-образной магнитной системой, снабжена устройством индукционного нагрева, катушка которого расположена по периметру испытуемого образца и закреплена на основании.
Пользуются установкой следующим образом. Испытуемый образец закрепляют одним концом в пассивный захват, установленный на поворотном столе, а другим концом в активный захват, установленный на рычаге. Далее производится фиксация рычага фиксатором, расположенным на неподвижной полке, при этом поворотный стол установлен в нулевое положение. Затем освобождают рычаг из фиксатора и производят включение возбудителя колебаний. В результате взаимодействия тока, протекающего по катушке, и магнитного поля П-образной односвязной магнитной системы образец совершает заданное количество изгибных колебаний. Производится включение устройства индукционного нагрева и снимается наклеп. Нагрев осуществляется выше температуры рекристаллизационного отжига. Температура нагрева зависит от вида материала. Далее производится оценка усталостного повреждения в различных продольных плоскостях образца, начиная с исходного положения нагружения образца, затем фиксируется рычаг фиксатором и образец освобождается из активного захвата. Осуществляется поворот образца с помощью поворотного стола на определенный угол, после чего производится фиксация верхнего конца испытуемого образца, освобождение рычага и оценка усталостного повреждения по информации о процессе колебаний, которая поступает с катушки на измерительное устройство. Затем процесс повторяется до тех пор, пока не будет произведена оценка повреждений образца в различных продольных плоскостях. После установки образца в начальное положение осуществляется следующее циклическое нагружение и последующая оценка анизотропии усталостного повреждения.
Рассматриваемой установке свойственны те же недостатки, что и аналогам - значительные трудозатраты на проведение испытаний. Эти трудозатраты обусловлены процедурой перезакрепления на каждом угловом шаге поворотного стола. Кроме того, изучение состояния образца вне установки затруднено нахождением плоскости колебаний, в которой выявлен дефект. Температура рекристаллизационного отжига достаточно высока (сотни градусов Цельсия), поэтому в силу высокой теплопроводности элементов установки происходит общий нагрев, а по причине большой ее теплоемкости время естественного охлаждения оказывается очень большим, что приводит к увеличению времени испытаний. Указанные факторы не только увеличивают трудоемкость испытаний, но и ограничивают варианты программ испытаний.
Техническим результатом предлагаемого решения является снижение трудозатрат на проведение испытаний образца материала на усталость.
Решаются задачи:
1.Разработка конструктивной схемы установки для испытания образцов материалов на усталость.
2. Обоснование принимаемых решений.
Указанный результат достигается тем, что установка для испытания образцов на усталость, содержащая основание, активный захват связанный с электромагнитным возбудителем колебаний, пассивный захват, установленный с возможностью поворота, устройство индукционного нагрева, катушка которого расположена по периметру испытуемого образца и закреплена на основании, и измерительное устройство, снабжена дискретным приводом пассивного захвата и охладителем в составе неподвижных воздушного насоса, форсунки и соединительного шланга, при этом форсунка расположена с зазором относительно свободной торцовой поверхности активного захвата, который выполнен из магнитопроводного материала цилиндрической формы с группой осевых отверстий и является частью электромагнитного возбудителя колебаний, другими частями последнего являются два неподвижных диаметрально расположенных электромагнита с магнитопроводами П-образной формы, торцовые концы которых образуют одинаковые зазоры с цилиндрической поверхностью активного захвата, а катушки электромагнитов соединены с электронными ключом.
В предлагаемой установке дискретный привод пассивного захвата выполнен в виде последовательно соединенных червячной передачи и шагового двигателя, при этом червячное колесо передачи связано с пассивным захватом, а червяк соединен с валом ротора шагового двигателя, а электронный ключ выполнен на основе биполярного транзистора по схеме с общим эмиттером, при этом первый резистор соединен между базой и эмиттером, первый конденсатор включен между базой и коллектором транзистора, электрическая катушка первого электромагнита возбудителя колебаний включена между коллектором и источником электропитания, электрическая катушка второго электромагнита одним выводом соединена с эмиттером транзистора, а вторым выводом через второй конденсатор с базой транзистора и через второй резистор с источником электропитания. Измерительное устройство содержит регистратор результата, подключенный к выходу схемы формирования, кодовый диск, установленный на связанном с пассивным захватом червячном колесе дискретного привода, при этом по одну сторону кодового диска размещена линейка осветителей, а по другую - соосная линейка фотоприемников, при этом линейка фотоприемников и выход электронного ключа присоединены к входам схемы формирования.
Предлагаемое техническое решение поясняется чертежами:
Фиг. 1 - конструктивная схема установки;
Фиг. 2 - конструкция электромагнитов;
Фиг. 3 - электрическая принципиальная схема электронного ключа;
Фиг. 4 - функциональная схема измерительного устройства;
Фиг. 5 - эпюры напряжений.
Принятые обозначения
1.Основание
2. Подшипник
3. Вал
4. Пассивный захват
5. Образец материала
6. Активный захват
7. Отверстия активного захвата
8. 9. Электромагниты
10, 11. Магнитопроводы
12. Электрическая катушка электромагнита
13. Каркас электрической катушки
14. Магнитопроводная стяжка
15, 16. Винты крепления электромагнитов
17, 18. Кронштейны электромагнитов
19. Электронный ключ
20. Катушка индукционного нагрева
21. Кронштейн индукционной катушки
22. Форсунка охладителя
23. Поворотный кронштейн форсунки
24. Червячное колесо
25. Червяк
26. Шаговый двигатель
27. 28. Подшипники червяка
29. Кодовый диск
30. Оптический кронштейн
31. Линейка осветителей
32. Линейка фотоприемников
33. Генератор прямоугольных импульсов
34. Конъюнктор шагового двигателя
35. Формирователь периода колебаний
36. Линия задержки
37. Триггер интервала Тр
38. 39. Триггеры выделения T
40, 41. Конъюнкторы установочных входов триггеров 38, 39
42. Выходной конъюнктор периода
43. Многоразрядный формирователь фотоприемников 32
44. Многоразрядный конъюнктор записи кода фазы
45. Блок питания
Установка для испытания образцов на усталость конструктивно выполнена из двух блоков - нагружателя и блока управления.
Все элементы нагружателя смонтированы на основании 1. В дуплексированном подшипнике 2 основания установлен вал 3. На верхнем конце вала (здесь и далее ориентация чертежа) закреплен пассивный захват 4. Указанное закрепление осуществляется через несимметричное гнездо, за счет которого реализуется постоянство относительного углового (фазового) положения вала и пассивного захвата при перемонтаже. Исследуемый образец материала 5 нижним концом закрепляется в пассивном захвате, а на верхнем конце закрепляется активный захват 6. Активный захват выполнен из магнитопроводного (магнитомягкого) материала, его внешний контур имеет цилиндрическую форму, а по периметру имеется группа сквозных соосных отверстий 7. Активный захват является частью электромагнитного возбудителя колебаний, другими частями которого служат электромагниты 8, 9. Электромагниты (фиг. 2) выполнены однотипно, каждый из них содержит плоские магнитопроводы 10, 11 и электрическую катушку 12. Электрическая катушка намотана на каркас 13 и общая сборка осуществляется магнитопроводной стяжкой 14. Обращенные к активному захвату торцовые поверхности Б магнитопроводов выполнены эквидистантно по отношению к активному захвату с образованием одинаковых радиальных зазоров. Электромагниты закреплены винтами 15,16 на кронштейнах 17, 18 основания. Электрические катушки электромагнитов соединены с электронным ключом 19 (фиг. 3). Для удобства изложения воспользуемся терминологией автоколебательных систем (Шарыгин Л.Н., Сорокин А.А. Автоколебательные системы в средствах измерения и контроля, изд-во Атлас, 2016 - 205 с. ISBN 978-5-903087-53-2) и назовем одну катушку катушкой освобождения Wo, другую - катушкой импульсной (привода) Wu. Функцию собственно ключа выполняет транзистор VT, исходный режим которого задан резистором R1, а для сбоя возможной высокочастотной паразитной генерации предусмотрена обратная связь с помощью конденсатора С1 малой емкости. В катушку Wo через резистор R2 задается подмагничивающий ток, который создает магнитный поток по пути: стяжка 14 - магнитопроводы 10, 11 - два зазора - активный захват 6. При колебаниях активного захвата изменяется величина зазоров, что приводит к изменению магнитного сопротивления и соответственно индуцируется ЭДС в катушке освобождения Wo. Переменная составляющая через разделительный конденсатор С2 поступает на базу транзистора VT. Положительная полуволна ЭДС открывает транзистор и по катушке привода Wu проходит импульс тока источника Ек. Этот ток создает свой магнитный поток, за счет которого активному захвату сообщается подталкивающий механический импульс силы. Амплитуду изгибных колебаний образца можно регулировать величиной напряжения питания Ек электронного ключа.
Обратимся к температурному режиму испытаний. Для реализации различных видов термообработки образца в установке предусмотрены два канала - нагрева и охлаждения. Канал индукционного нагрева представлен на фиг. 1 катушкой 20 с датчиком температуры, которые закреплены на кронштейне 21, при этом катушка расположена по периметру испытуемого образца 5. Охладитель на фиг. 1 отражен форсункой 22, которая закреплена на поворотном кронштейне 23 таким образом, что в рабочем положении образует зазор с верхним торцом активного захвата. Прокачиваемый через форсунку воздушный поток направлен вниз, при этом он частично проходит через группу отверстий 7 активного захвата, а частично огибает его.
В кинематическую схему нагружателя входит привод вала 3. Привод выполнен дискретным. Он содержит червячную передачу составленную из червячного колеса 24, сопряженного с червяком 25, и шаговый двигатель 26. Привод размещен ниже основания с целью защиты от тепловых возмущений. Червячное колесо закреплено на нижнем конце вала 3, а червяк - в подшипниках 27, 28 корпуса. В процессе испытаний образца привод с заданным временным интервалом поворачивает вал с пассивным захватом на один угловой шаг, что обеспечивает поворот плоскости колебаний образца.
Измерительное устройство предназначено для выявления первичной информации о состоянии образца и передачи ее на регистратор, в качестве которого целесообразно использовать компьютер. В процессе испытаний образца начинают накапливаться дефекты и жесткость D изменяется, что отражается на циклической частоте колебаний ω
где m - масса активного захвата.
Вместо циклической частоты ω удобнее пользоваться периодом колебаний Т
Значение периода колебаний Т отражает последовательность импульсов на коллекторе ключа 19 возбудителя колебаний.
Поскольку дефекты образца возникают в произвольных его частях необходимо сопоставить период Т с фазовым (угловым) положением. Для получения значения фазы служит оптический преобразователь, в который входят кодовый диск 29, оптический кронштейн 30, на котором соосно друг другу установлены линейка осветителей 31 (светодиодов) и линейка фотоприемников 32 (фотодиодов). Кодовый диск выполнен из прозрачного материала и закреплен на червячном колесе 24. Диск разделен на кольцевые зоны (по количеству разрядов) и сектора, соответствующие участки диска покрыты непрозрачной краской в соответствии с принятым двоичным кодом. Таким образом, каждому фиксированному фазовому положению диска, следовательно, и образца, соответствует свое двоичное число в виде сигналов фотоприемников 32.
Обработка вышеназванной информации осуществляется в соответствии с функциональной схемой фиг. 4. На фиг. 5 приведены эпюры напряжений на выходах отдельных функциональных элементов.
33
Испытания образца ведут задав исходную нагрузку и время испытаний для каждого углового положения образца. Исходную нагрузку устанавливают величиной напряжения Ек питания электронного ключа возбудителя колебании измеряя внешними средствами амплитуду колебаний активного захвата. Для задания времени испытаний на каждом угловом положении образца предназначен генератор 33 прямоугольных импульсов G. Длительность t импульсов этого генератора определяется параметрами шагового двигателя 26, а период последовательности Тп задает пользователь исходя из программы испытаний. Импульсы генератора 33 поступают на шаговый двигатель через конъюнктор 34 под напряжением Ешд. Период колебаний Т формируется из выходных импульсов электронного ключа 19 формирователем 35. Поскольку импульсы периода Т и импульсы генератора G несинхронизированы схема предусматривает выделение целочисленного значения Т в пределах интервала Тв выстоя на каждом фазовом положении образца. Для исключения влияния переходного процесса на результат измерения предусмотрена линия задержки 36. Триггер 37 формирует временной интервал Тв выстоя на фиксированной фазе. Триггеры 38, 39 с конъюнкторами 50, 41 предназначены для выделения одного целочисленного значения периода Т в пределах интервала выстоя Тв. Выходной сигнал Т будет на выходе конъюнктора 42, импульсы с выхода формирователя 35 периода Т служат для подсчета суммарного числа N колебаний образца. Параллельный код фазового положения ϕ образно считывается с линейки 32 фотоприемников, доводится до штатной формы многоразрядным формирователем 43, а передача кода производится через конъюнктор 44 за интервал Т. Для обеспечения работы функциональной схемы предусмотрен блок питания 45.
Таким образом, измерительное устройство составляют:
- регистратор результата (на фиг.4 не показан), который фиксирует фазовое положение ϕ, период колебаний Т и суммарное число циклов N;
- элементы выявления первичной информации: электронный ключ электромагнитного возбудителя колебаний и кодовый диск, охваченный линейками осветителей и фотоприемников;
- схема формирования, которая подготавливает первичную информацию для регистрации. К схеме формирования относятся следующие элементы функциональной схемы: 35-44.
Вторым конструктивным блоком установки, кроме нагружателя, является блок управления. В этом блоке смонтированы элементы электроники с органами управления, индикации и блок электропитания:
- элементы канала нагрева с регулятором мощности и индикатором температуры;
- элементы канала охлаждения: регулируемый воздушный насос, который может быть снабжен охладителем воздуха;
- электронные элементы функциональной схемы;
- органы управления: тумблеры, регуляторы;
- гнезда для подключения регистратора.
Связь между блоками нагружения и управления осуществляется электрическим кабелем, а по каналу охлаждения гибким шлангом.
Пользуются установкой в соответствии с программой испытаний. Рассмотрим один вариант программы. На отдельном рабочем месте закрепляют на образце 5 пассивный 4 и активный 6 захваты. Поворачивают кронштейн 23 смещая форсунку 22 охладителя. Устанавливают полученную сборку образца пассивным захватом в гнезде вала 3 и закрепляют пассивный захват. На блоке 45 включают электропитание и электромагнитный возбудитель обеспечивает автоколебания образца. Расчетную нагрузку образца регулируют по величине амплитуды колебаний активного захвата, изменяя напряжение питания Ек электронного ключа. Включают генератор 33 и проводят предварительные испытания для оценки исходного состояния образца. Отключают генератор 33 и электронный ключ 19. Включают канал нагрева и производят термообработку, например, рекристаллизационный отжиг. Поворотом кронштейна 23 устанавливают форсунку 22 над активным захватом, включают насос охладителя. После достижения до заданной температуры (контролируют по индикатору температуры канала нагрева) отключают насос. Включают установку и проводят основные испытания. Анализ получаемых на регистраторе результатов может привести к необходимости промежуточного оптического контроля состояния образца. Для этого освобождают крепление пассивного захвата 4 на валу 3, снимают образец вместе с захватами и изучают его на другом рабочем месте. Возврат образца для продолжения испытаний не нарушает его фазового положения. По окончании испытаний на регистраторе будут зафиксированы коды фазового положения, для каждого из них значение периода колебаний образца Т и суммарное количество циклов нагружения N. При анализе жесткости D образца пользуются формулой (2).
Таким образом, предлагаемая установка для испытаний образцов на усталость позволяет с минимальной трудоемкостью проводить испытания по различным программам. Снижению трудозатрат способствует простая технология установки образца и автоматизация процесса. Установка позволяет фиксировать жесткость образца для заданных плоскостей колебаний без остановки нагружения. Имеется возможность внешнего промежуточного контроля образца, при чем при перемонтаже не нарушается исходное крепление образца с пассивным и активным захватами. Предусмотрена возможность проводить различные виды термообработки за счет основных параметров - скорости нагрева, времени выдержки и скорости охлаждения.