Установка для испытания образцов материалов на усталость

Полезная модель относится к испытательной технике, а именно к установкам для испытания 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.
Получили распространение машины для испытания на усталость при консольном изгибе вращающегося образца материала - УКИ - 10М, МУИ - 6000, МВЦ - 6М, МВП - 10000, У40, ЧУМ - 70. Для образцов малых сечений применяют автоколебательный режим нагружения (патент RU 100622 U1, опубл. 20.12.2010; патент RU 108843 U1, опубл. 27.09.2011).
Иногда исследователь предусматривает в программе испытаний на усталость промежуточную термообработку. Для этого освобождают образец материала от захватов, отдельно проводят термообработку и снова крепят образец в испытательную установку. Установка для испытания образцов на усталость по патенту RU 2624595 С1, опубл. 04.07.2017 предусматривает рекристаллизационный отжиг за счет индуктора с охватывающей образец катушкой. В установке используется автоколебательный режим нагружения.
Рассматриваемая установка имеет ограниченные эксплуатационные возможности по следующим причинам:
- большая постоянная времени теплового цикла термообработки за счет нагрева окружающих элементов;
- низкий коэффициент теплового преобразования за счет рассеяния тепловой энергии;
- установка не выявляет текущее состояние материала, т.е. процедура термообработки проводится в произвольный момент времени;
- автоколебательный режим нагружения ограничивает типоразмерный ряд образцов.
Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемому решению является установка для испытания материалов на усталость по патенту RU 145586 U1, опубл. 20.09.2014. Цитируемая установка для испытаний материалов на усталость, содержащая основание, активный и пассивный захваты, устройство нагружения, включающее две установленные на основании соленоидные катушки освобождения и привода, соединенные с источником тока, сопряженный с ними соосно магнитопроводный стержень, который закреплен на активном захвате и ориентирован по направлениям деформации образца материала, электронный ключ соленоидных катушек, содержащий усилитель-формирователь с образованием схемы формирования импульсов привода, при этом она снабжена измерителем перемещения активного захвата и фазоопределителем, устройство нагружения снабжено приводом пассивного захвата в составе шпинделя с датчиком фазового положения и фиксатора, при этом на одном конце шпинделя установлен пассивный захват, а на другом - электродвигатель, источник тока снабжен переключателем режимов испытаний, содержащем коммутатор соленоидных катушек освобождения и привода, выводы соленоидных катушек соединены со схемой формирования импульсов привода и входом измерителя перемещений активного захвата через коммутатор соленоидных катушек освобождения и привода, выходы датчика фазового положения шпинделя и измерителя перемещений активного захвата подключены к входам фазоопределителя. В данной установке измеритель перемещений активного захвата выполнен в виде замкнутого контура тока в составе последовательно соединенных соленоидной катушки освобождения, резистора и высокочастотного выхода источника тока, при этом параллельно резистору подключен выпрямитель, последовательно с которым включен фильтр нижних частот.
Изложенной конструкции установки для испытаний материалов на усталость свойственны те же недостатки, что и установкам - аналогам.
Техническим результатом предлагаемого решения является расширение эксплуатационных возможностей установки для испытания образцов материалов на усталость.
Решаются задачи:
1. Разработка конструктивной схемы установки реализующей широкодиапазонный режим испытаний.
2. Разработка блока выявления текущего состояния материала испытываемого образца.
3. Разработка устройства термообработки с высоким коэффициентом полезного действия теплового цикла.
Указанный технический результат достигается тем, что установка для испытания образцов материалов на усталость, содержащая основание, активный и пассивный захваты, устройство нагружения, включающее две установленные на основании соленоидные катушки, соединенные с источником тока, сопряженный с ними магнитопроводный стержень, который закреплен на активном захвате и ориентирован по направлению деформации образца материала, измеритель перемещения активного захвата, который выполнен в виде замкнутого контура тока в составе последовательно соединенных первой соленоидной катушки, резистора и высокочастотного выхода источника тока, при этом параллельно резистору подключен выпрямитель, последовательно с которым включен фильтр нижних частот, снабжена блоком выявления экстремума характеристики перемещения активного захвата и устройством термообработки образца материала, при этом вторая соленоидная катушка соединена с регулируемым выходом постоянного тока источника тока. В предлагаемой установке устройство термообработки образца материала выполнено на основе поворотной платформы с ведущим поводком, которая снабжена двумя неподвижными электроконтактными упорами в ее крайних положениях и приводом в составе электромагнита, имеющего подпружиненный, соединенный с ведущим поводком через гибкую тягу якорь с регулятором скорости его перемещения, RS - триггер, выход которого через электронный ключ соединен с обмоткой электромагнита, а его входы подключены к низковольтному выходу постоянного тока источника тока через контакты электроконтактных упоров, при этом на поворотной платформе закреплен лазер таким образом, что осевая линия его оптического луча пересекает осевую линию образца материала, а диаметр оптического луча меньше диаметра рабочего участка образца материала, при этом регулятор скорости якоря электромагнита привода поворотной платформы выполнен в виде закрепленной на торце электромагнита привода поворотной платформы под его подпружиненным якорем пластины с соосным якорю отверстием, при этом на пластине установлена поворотная заслонка с возможностью частичного перекрытия отверстия пластины и снабженная фиксатором положения. В предлагаемой установке блок выявления экстремума характеристики перемещения активного захвата содержит блок питания, цепь времени в составе последовательно соединенных формирователя сигнала высокочастотного выхода источника тока и двух счетных триггеров, конъюнктор дискретизации, первый вход которого соединен с выходом измерителя перемещения активного захвата, а второй - через формирователь длительности с выходом формирователя сигнала высокочастотного выхода источника тока цепи времени, выход конъюнктора дискретизации соединен через управляемые цепью времени входные конъюнкторы с двумя интеграторами, выходы которых подключены к первым входам выходных конъюнкторов, вторые входы последних соединены с выходом конъюнктора считывания, входы которого подключены к цепи времени через инвертор, выходы выходных конъюнкторов присоединены к входам схемы сравнения и амплитудного селектора, выход последнего - через триггер экстремума, а выход схемы сравнения непосредственно подключены к индикатору.
Предлагаемые технические решения поясняются чертежами:
Фиг. 1 - конструктивная схема установки для испытания образцов материалов на усталость;
Фиг. 2 - вид А по фиг. 1;
Фиг. 3 - конструктивная схема упора поворотной платформы;
Фиг. 4 - схема цепи привода поворотной платформы;
Фиг. 5 - схема измерителя перемещения активного захвата;
Фиг. 6 - функциональная схема блока выявления экстремума характеристики перемещения активного захвата;
Фиг. 7 - схема интегратора;
Фиг. 8 - схема устройства сравнения;
Фиг. 9 - схема амплитудного селектора;
Фиг. 10 - эпюры напряжений на выходах элементов функциональной схемы.
Принятые обозначения
1. Пассивный захват
2. Образец материала
3. Активный захват
3-а. Магнитопроводный стержень активного захвата
4. Каркас соленоидной бифилярной электрической катушки
5. Формирователь сигнала генератора G
6. Первый счетный триггер
7. Второй счетный триггер
8. Конъюнктор дискретизации
9. Формирователь длительности импульса дискретизации
10. Первый интегратор
11. Второй интегратор
12. Амплитудный селектор
13. RS - триггер фиксации экстремума
14. Индикатор
15. Устройство сравнения
16. Конъюнктор считывания
17, 18. Входные конъюнкторы интеграторов
19, 20. Выходные конъюнкторы интеграторов
21. Инвертор
22. Конъюнктор сброса
24. Блок питания (источник тока)
25. Подшипники поворотной платформы
26. Основание установки
27. Поворотная платформа
28. Электромагнит привода поворотной платформы
29. Поводок
30, 31. Электроконтактные упоры
32. Обмотка электромагнита 28
33. Каркас электромагнита 28
34. Якорь электромагнита 28
35. Гибкая тяга
36. Пружина якоря
37. Пластина регулятора скорости
30. Отверстие пластины
40. Штифт
41. Заслонка
42. Дуговой паз заслонки
43. Пинт фиксатора
44. Винты крепления пластины
45. Корпус электроконтактного упора
46, 47. Контактные элементы
48. RS - триггер устройства термообработки
49. Электронный ключ
50. Лазер
При практической реализации принятых проектных решений конструктор исходит из принципа преемственности, т.е. он широко применяет зарекомендовавшие на практике отдельные узлы и детали подобных изделий. Будем полагать, что реализация предлагаемых технических решений будет проводиться с использованием некоторых элементов широкораспространенной машины УКИ - 10М. Исходя из этого подхода на фиг. 1 не отражены шпиндель с его электроприводоым и счетчик циклов нагружения, а показан только пассивный захват 1.
H
u
H
u
u
H
H
В соответствии с конструктивной схемой (фиг. 1) испытываемый образец материала 2 крепится одним концом в пассивном захвате, а другим в активном захвате 3 в виде шарикоподшипникового узла. Имеется двухсекционная (с бифилярной обмоткой) электрическая соленоидная катушка, выполненная на каркасе 4. Одна обмотка W предназначена для задания силы нагружения образца материала, другая - W входит в состав схемы измерителя перемещения активного захвата. В центральное отверстие каркаса 4 с радиальным зазором входит магнитопроводный стержень 3-а, который одним концом закреплен на активном захвате. Сила нагружения для срединного участка перемещения магнитопроводного стержня 3-а пропорциональна току в обмотке W (Сотсков Б.С. Основы расчета и проектирования электромеханических элементов автоматических и телемеханических устройств. - М - Л: Энергия, 1965. с. 308-309). Индуктивность L другой обмотки W также изменяется линейно. Обмотка W подключена к регулируемую выходу постоянного тока U источника тока.
u
u
G
Цепь обмотки W показана на фиг. 5. Обмотка W совместно с высокочастотным синусоидальным выходом U источника тока (для наглядности это отражено в виде генератора G) и резистором R1 образуют замкнутый электрический контур.
Действующее значение тока в контуре
где z - полное сопротивление контура.
здесь ω - циклическая частота сигнала генератора G.
Падение напряжения на резисторе R1 пропорционально току
пр
Синусоидальное напряжение (3) выпрямляется диодным мостом VD1-VD4 и сглаживается П-образным электрическим фильтром на двух конденсаторах C1, С2 и резисторе R2. Таким образом на выходе фильтра получается гладкая функция перемещения в форме напряжения U. Характер этой функции по аргументу количество циклов нагружения N будет аналогичен деформационной диаграмме Школьника (Школьник Л.М. Скорость роста трещин и живучесть металла. - М.: Металлургия, 1973, с. 62, рис. 24). Рассматриваемая функция отражает процессы в материале образца материала. Восходящий участок функции отражает повышение предела упругости за счет явления наклепа. Нисходящему участку соответствует появление необратимых повреждений, т.е. зарождаются и растут микротрещины.
пр
Исследователю важно знать, как изменяется состояние материала с увеличением количества циклов нагружения. Поскольку некоторому значению функции перемещения может соответствовать как восходящий, так и нисходящий участки, необходимо, как минимум, выявить экстремум функции U=f(N).
На фиг. 6 изображена функциональная схема блока выявления экстремума характеристики перемещения активного захвата. Временную ось задает генератор G измерителя перемещения активного захвата. В цепь времени входят формирователь 5 сигнала генератора G и два последовательно соединенных счетных триггера 6, 7.
пр
пр
Дискретизация функции перемещения U=f(N) осуществляется конъюнктором 8 с помощью формирователя длительности 9. На выходе конъюнктора 8 получаются прямоугольные импульсы постоянной длительности с амплитудой равной значению функции U=f(N) в данный момент времени. Временной шаг этих импульсов равен периоду сигнала генератора G.
пр
Принцип выявления экстремума заключается в сравнении амплитуд двух соседних импульсов на выходе конъюнктора дискретизации 8. Возрастающему участку функции U=f(N) соответствует большая амплитуда последующего импульса по отношению к предыдущему. На спадающем участке-наоборот. Поскольку сравниваемые импульсы разнесены по времени, то в схеме предусмотрены два интегратора 10, 11. Выходные потенциалы интеграторов сравниваются амплитудным селектором 12 (фиг. 9), выходы которого управляют RS-триггером 13 экстремума.
Для отражения режима работы установки предусмотрен дисплейный индикатор. Индикатор имеет три временных канала (по принципу трехканального электронно-лучевого эсциллографа):
- канал перемещения активного захвата;
- канал состояния триггера экстремума;
- канал устройства термообработки образца материала.
пр
Сигнал перемещения активного захвата формирует устройство сравнения 15 как разностный потенциал интеграторов. Соответственно на индикаторе пользователь будет наблюдать разнополярные импульсы пропорциональные величине перемещения активного захвата, при чем на возрастающем участке функции U=f(N) импульсы положительные, а на спадающем - отрицательные. Длительность импульсов формирует конъюктор считывания 16. Управление основными функциональными составляющими осуществляется цепью времени с использованием входных 17, 18 и выходных 19, 20 конъюнкторов интеграторов. Для реализации логической функции работы конъюнктора считывания 16 предусмотрен инвертор 21. Один цикл измерения осуществляется за время единичного состояния триггера 7 цепи времени. По окончанию одного цикла измерения конъюнктор 22 формирует импульс сброса.
пр
Канал состояния триггера 13 экстремума отражает потенциал единичного выхода. На восходящей ветви функции U=f(N) потенциал близок к нулю (совпадает с линией развертки). При достижении экстремума потенциал близок к уровню низковольтного электропитания Е (питание микросхем).
Канал устройства термообработки образца материала отражает в форме меандра циклы его работы.
Электропитание всех элементов установки обеспечивает блок питания 24.
Работает блок выявления экстремума характеристики перемещения активного захвата следующим образом - см. эпюры напряжений на выходах элементов схемы (фиг. 10). Исходное состояние всех триггеров блока устанавливается штатным образом фронтом электропитания при включении блока питания 24 (на фиг. 6 не показано).
G
5
5
Такт работы блока задает цель времени по высокочастотному (килогерцы) сигналу U блока питания 24. Этот сигнал преобразуется формирователем 5 в прямоугольную форму U. Фронтом импульса U срабатывает счетный триггер 6, а срезом импульса последнего срабатывает счетный триггер 7.
пр
9
5
9
пр,
Вторым входным сигналом блока является аналоговая функция перемещения U=f(N) со схемы фиг. 5, которая поступает на вход конъюнктора 8. На второй вход конъюнктора 8 с формирователя 9 поступает прямоугольный импульс U, сформированный фронтом импульса U. Таким образом, на выходе конъюнктора 8 появится прямоугольный импульс-длительностью U и амплитудой, равной U в данный момент времени.
8
10
11
22
16
Далее в интервале единичного состояния триггера 7 цепи времени осуществляется сравнение амплитуд двух соседних импульсов U: предыдущий импульс поступает на вход интегратора 10, а последующий - на вход интегратора 11. Интеграторы устроены однотипно по схеме фиг. 7. Зарядный ток конденсатора С определяется параметрами RC-цепи и амплитудой входного импульса. Выходное напряжение интегратора U (U) пропорционально амплитуде входного импульса, поступающего с выхода конъюнктора 8. Разряд конденсатора С осуществляется через транзистор VT по сигналу сброса U. Выходные напряжения интеграторов поступают на входы устройства сравнения 15 и амплитудного селектора 12. Выход амплитудного селектора подключен к входам триггера экстремума 13. Распределение импульсов осуществляется конъюнкторами 17, 18, 19, 20, а логика их работы прослеживается по эпюрам напряжений фиг. 10. Процедура сравнения выходных напряжений интеграторов проходит за время действия импульса U с выхода конъюнктора считывания 16.
19
20
Схема сравнения (фиг. 8) представляет собой дифференциальный усилитель на транзисторах VT1, VT2 по схеме с общим эмиттером. В исходном состоянии транзисторы находятся в режиме отсечки за счет резисторов R1, R4. При поступлении входных сигналов U, U рабочая точка смещается в активную область транзисторов, при этом напряжения на коллекторах будут пропорциональны входным сигналам. Разностный потенциал коллекторов поступает на индикатор 14.
пр
20
19
пр
Работу амплитудного селектора 12 (фиг. 9) удобно рассматривать совместно с триггером экстремума 13. Схема 12 представляет собой композицию двух диодных ограничителей: один построен на диоде VD1 и резисторе R1, другой - на диоде VD2 и резисторе R2. Принципы работы каждого ограничителя основан на характеристике диода - при положительном потенциале анода по отношению к катоду диод электропроводен. На возрастающем участке характеристики U=f(N) входные напряжения соотносятся как U>U, следовательно диод VD1 электропроводен и потенциал первого ограничителя поступает на вход сброса R RS-тригтера 13. При достижении экстремума функции U=f(N) ситуация становится обратной и в этот момент на вход S триггера поступает импульс со второго ограничителя, соответственно триггер 13 переходит в единичное состояние.
Обратимся к устройству термообработки образца материала. В подшипниках 25 на основании 26 установки для испытания образцов материалов на усталость установлена поворотная платформа 27. Для реализации поворота платформы предусмотрены электромагнит привода 28 и закрепленный на платформе поводок 29. Угол поворота платформы ограничен двумя электроконтактными упорами 30, 31, которые взаимодействуют с поводком 29. С целью упрощения конструкции упоров поводок выполнен из электроизоляционного материала, например стеклопластика (либо его поверхность в зоне контакта с упорами имеет диэлектрическое покрытие). Обмотка 32 электромагнита 28 намотана на каркас 33. Якорь 34 электромагнита имеет цилиндрическую форму и размещен в отверстии каркаса с некоторым радиальным зазором. Под якорем установлена винтовая пружина 36, которая опирается на пластину 37, закрепленную винтами на каркасе 33.
Для стабилизации скорости движения якоря предусмотрен регулятор скорости (фиг. 2). На пластине 37 выполнено соосное с отверстием каркаса 33 сквозное отверстие 39. На плоскости пластины с помощью штифта 40 установлена поворотная заслонка 41. Дуговой паз 42 заслонки совместно с винтом 43 образуют фиксатор положения заслонки. Пластина 37 крепится к каркасу 33 электромагнита винтами 44. Принцип работы регулятора скорости основан на образовании силы вязкого трения, которое в отличии постоянного (Кулонова) трения не образует зоны застоя в характеристике перемещения.
Сила вязкого трения равна
где х - линейная скорость движения якоря электромагнита;
h=ρS - коэффициент вязкого трения;
Здесь ρ - плотность воздуха;
S - эффективное сечение отверстия 39.
Из вышеприведенных формул следует, что силу вязкого трения можно регулировать изменяя эффективное сечение отверстия 39 путем поворота заслонки 41.
Оба электроконтактных упора выполнены однотипно - фиг. 3, где условно изображено сечение поводка 29 поворотной платформы. В электроизоляционном корпусе 45 упора закреплены два обычных для релейных устройств гибких контактных элемента 45, 46. Контактные элементы установлены таким образом, что образуют нормально разомкнутый контакт. В цепь управления электромагнитом 28 кроме электроконтактных упоров 30, 31 входят RS-триггер 48 и силовой электронный ключ 49.
Кроме вышеперечисленных элементов в рассматриваемое устройство входит лазер 50. Лазер закреплен на поворотной платформе 27 таким образом, что осевая линия его оптического луча пересекает осевую линию образца материала, а диаметр оптического луча меньше диаметра рабочей части образца материала. Вышеуказанное соотношение диаметров обеспечивает высокий коэффициент полезного действия теплового цикла, поскольку оптическое пятно луча лазера проходит только по поверхности рабочего участка образца и не нагревает окружающие элементы установки. В силу сравнительно короткого времени термообработки нагрев утолщенных концов образца в захватах будет ограничен.
0
В исходном положении под действием пружины 36 якоря поводок 29 находится на упоре 30 и его контакт S замкнут, при этом оптический луч лазера 50 находится в начале рабочего участка образца материала. Соответственно при перекладка поворотной платформы на второй упор 31 оптический луч проходит всю длину рабочего участка образца материала.
H
H
0
k
Рассмотрим вариант температурного отпуска образца материала для устранения наклепа. Для реализации этого техпроцесса снимают нагрузку образца путем отключения электропитания U обмотки W электромагнита 4 в момент появления единичного сигнала триггера экстремума 13 на индикаторе 14. Не останавливая вращение пассивного захвата 1, включают устройство термообработки. Поскольку в исходном положении замкнут контакт S упора 30, то триггер 48 устанавливается в единичное состояние и включает электронный ключ 49, запитывающий обмотку 32 электромагнита 28. Якорь 34 через тягу 35 и поводок 29 поворачивает платформу 27 вместе с лазером 50 до упора 31. достигнув упора 31, поводок 29 замыкает нормально разомкнутый контакт S, что приводит к опрокидыванию триггера 48, соответственно к обесточиванию катушки 32. После этого платформа 27 под действием пружины 36 будет возвращаться в исходное положение. При колебаниях платформы вместе с лазером луч последнего проходит путь рабочего участка образца материала, а поскольку при этом образец вращается, то нагрев осуществляется по всей поверхности. Температура нагрева определяется мощностью лазера и количеством циклов поворотной платформы. Заметим, что время на устрашение начального наклепа сравнительно невелико, т.к. глубина прогрева образца материала необходима на десятые доли миллиметра.
Предлагаемая установка позволяет выполнять другие виды термообработки, например закалку. Известно, что некоторые материалы подвергаются закаливанию путем нагрева с последующим охлаждением на воздухе. Если блокировать питание электромагнита 28, то термообработке будет подвергаться только начальный участок образца, где механические напряжения максимальны. Период цикла работы устройства термообработки определяется инерционностью элементов кинематики и жесткостью пружины 36 якоря
где m - приведенная к якорю 34 электромагнита 28 масса подвижных элементов кинематики;
D - жесткость пружины 36.
Пользуются установкой для испытания образцов материалов на усталость в соответствии с программой испытаний. Предлагаемая установка позволяет реализовать самые разные программы, в том числе испытания с заданной нагрузкой и испытания с заданной деформацией. Рассмотрим основу одного варианта программы испытаний образца материала на усталость.
H
H
Закрепляют образец материала в пассивном и активном захватах и включают установку. Задают необходимую частоту вращения пассивного захвата (как было отличено выше приводом шпинделя, на котором закреплен пассивный захват). По тарировочному графику установки регулятором напряжения U на блоке питания 24 величиной тока обмотки W соленоидной катушки 4 устанавливают силу нагружения образца материала. Величину прогиба отсчитывают по масштабной сетке индикатора 14.
u
u
пр
В процессе вращения нагруженного образца материала за счет наклепа изменяется прогиб активного захвата, что приводит к смещению магнитопроводного стержня 3-а активного захвата. Смещение стержня изменяет индуктивность L обмотки W измерителя перемещения активного захвата, на выходе которого формируется функция перемещения V=f(N). Блок выявления экстремума характеристики перемещения формирует сигнал экстремума и отражает его на индикаторе.
H
H
Далее проводят температурный отпуск образца материала. Отключением питания U обмотки W снимают нагрузку образца материала и включают устройство термообработки. В соответствии с циклом работы триггера 48 оптический луч лазера 50 многократно перемещается по рабочему участку вращающегося образца материала обеспечивая нагрев до нужной температуры. Время нагрева зависит от исследуемого материала, вида термообработки и мощности лазера. Далее продолжают испытания в соответствии с программой испытаний.
Таким образом, предлагаемая установка для испытания образцов материалов на усталость позволяет реализовать широкий спектр программ испытаний. Индикатор установки показывает в масштабе текущее значение перемещения активного захвата в форме прямоугольных импульсов, при этом восходящему участку соответствуют положительные импульсы, а нисходящему - отрицательные. Индикатор также отражает момент прохождения экстремума функции перемещения активного захвата и количество циклов работы устройства термообработки. Термообработка выполняется без демонтажа образца как в произвольный момент времени, так и по сигналу о текущем состоянии образца материала. Установка проекта в обращении, режим испытаний задается органами электроуправления.