УСТАНОВКА ДЛЯ УСКОРЕННЫХ ИСПЫТАНИЙ МАТЕРИАЛОВ НА УСТАЛОСТЬ

Изобретение относится к испытательной технике, а именно к установкам для испытания образцов материалов на усталость.
Основы теории испытаний материалов изложены в работах Л.М.Школьника [1, 2]. Там же приведены описания классических установок для испытания материалов. В дальнейшем конструкции установок совершенствовались, но в основе их функционирования лежит циклическое нагружение, когда используются три основных режима:
- режим свободных затухающих колебаний [3, 4];
- режим автоколебаний [5];
- режим вынужденных колебаний [6, 7];
7
При этом закон изменения перемещения активного захвата остается гармоническим (или близким к нему). Процесс испытаний материалов на усталость является трудоемким и длительным (10 и более циклов нагружения до разрушения образца). Поэтому возникает задача снижения трудоемкости испытаний, что ведет к значительному экономическому эффекту. Ускоренные испытания могут обеспечить оперативную оценку принятых технологических или конструктивных изменений.
На первый взгляд достичь ускорения испытаний можно повышением частоты циклового нагружения. Но пластическая деформация запаздывает относительно прилагаемого нагружения. Чем больше продолжительность действия максимальных напряжений, тем интенсивнее идут процессы упрочнения. Приведем экспериментальный факт [2, с.113]: при испытаниях с частотой 40 цикл/мин максимальную твердость металл приобретает уже к 40 нагружениям, тогда как при 2400 цикл/мин на это требуется нагружений в 100 раз больше, т.е. 4000 циклов. При этом в первом случае степень упрочнения сплава в 1,5 раза больше, чем во втором, при одинаковых условиях максимальных напряжений цикла.
Приведенный пример показывает, что реализовать ускоренные испытания, используя гармонический режим нагружения невозможно. Таким образом, все известные установки не пригодны для ускоренных испытаний материалов на усталость.
Прототипом является установка для усталостных испытаний деталей на остаточный ресурс [8]. На основании этой установки закреплен пассивный захват и элементы устройства нагружения - две соленоидные катушки (освобождения и привода). Подвижным элементом устройства нагружения является магнитопроводный стержень, расположенный соосно с соленоидными катушками и закрепленный на активном захвате. Управление током в катушке привода осуществляется по сигналу ЭДС катушки освобождения через электронный ключ.
Эта установка работает в автоколебательном режиме на собственной частоте системы, т.е. функция нагружения практически гармоническая. Следовательно, рассматриваемая установка, также как и аналоги, не может обеспечить ускоренные испытания.
Техническим результатом изобретения является снижение трудоемкости и времени усталостных испытаний материалов.
На фиг.1 изображена конструктивная схема установки для ускоренных испытаний материалов на усталость; на фиг.2 - электрическая принципиальная схема формирования импульсов привода; на фиг.3 - стилизованные графики перемещения и скорости активного захвата.
Установка (фиг.1) содержит основание 1, на котором с помощью пассивного захвата 2 закреплен образец 3 испытываемого материала. На свободном конце образца установлен активный захват 4, который связан с магнитопроводным стержнем 5. По осевой линии магнитопроводного стержня около его концов на основании установлены соленоидные катушки 6, 7. По этой же осевой линии на некотором удалении от концов магнитопроводного стержня размещены упругие упоры 8, 9. На фиг.1 упругие упоры представлены (рассмотрим один) корпусом 10, внутри которого имеется подвижный поршень 11 с пружиной 12. Пружина поджата гайкой 13. Упругие упоры фиксируются на основании установки винтами 14.
Для подведения энергии к активному захвату от источника электропитания 15 имеется схема формирования импульсов привода (СФИП) 16 (термин теории автоколебаний - см. например, Аксельрод З.М. Теория и проектирование приборов времени. Л.: Машиностроение, 1969. - 480 с.). СФИП электрически связана с соленоидными катушками 6, 7.
0
u
Электрическая принципиальная схема формирования импульсов привода представлена на фиг.2. СФИП управляется электрическим сигналом одной соленоидной катушки 6, назовем ее катушкой освобождения W. Схема формирует короткий импульс тока в другую соленоидную катушку 7, назовем ее катушкой привода W. Каскад на транзисторе VT3 функционально представляет собой - электронный ключ, а каскады на транзисторах VT1 и VT2 являются усилителем-формирователем.
см
0
Исходное состояние схемы по постоянному току (при отсутствии входного сигнала): транзистор VT1 находится в режиме глубокой отсечки за счет источника запирающего смещения Е. Транзистор VT2 открыт - цепь смещения резистор R4, а ключевой транзистор VT3 закрыт нулевым смещением через резистор R6. Каскады по постоянному току разделены конденсаторами С1-С3. В исходном состоянии через катушку освобождения W протекает небольшой ток источника питания Е - подмагничивающий ток - через ограничительный резистор R1, а ток катушки привода близок к нулю, т.к. транзистор VT3 закрыт.
3
4
3
4
Предварительно поясним принцип работы предлагаемой установки на физической модели. В качестве физической модели возьмем свободную консервативную систему (систему без потерь энергии), состоящую из упругого образца 3 жесткостью С с массой m на свободном конце (суммарная масса активного захвата и магнитопроводного стержня). Будем полагать, что масса образца m из мала по отношению к массе m,
3
4
m<<m (1)
12
В физической модели жесткость пружины упругого упора обозначим С и примем
12
3
С>>С (2)
Массой поршня можно пренебречь, т.к.
11
4
m<<m. (3)
4
Без учета влияния упоров инерционная масса m, будет совершать незатухающие колебания (по условию система не имеет потерь) по закону
m
х=Xsinωt, (4)
4
где х - смещение массы m,;
m
Х - амплитуда колебаний;
- циклическая частота.
Период колебаний Т, собственная частота f и циклическая частота связаны
График функции (4) приведен на фиг.3 точечной линией.
4
1
1
1
Теперь рассмотрим движение системы с учетом упоров. Рассмотрение начнем с положения равновесия. На участке 0-1 система движется свободно, подчиняясь закону (4). Когда масса m пройдет путь Х она встретит упругий упор - точка 1. В этот момент времени t=t скорость Х составит
При этом кинетическая энергия будет равна
kl
4
1-2
yn
1-2
yn
Кинетическая энергия (7) будет расходоваться на деформацию образца 3 и пружины упора 12. На участке 1-2 будем наблюдать замедление скорости . В точке 2 E=0 и , т.е. масса m будет остановлена. Перемещение на этом участке X=l и время движения t=t (см. фиг.3).
4
Далее за счет потенциальных энергий образца и пружины упора масса m начнет ускоренно двигаться в обратном направлении - участок 2-3. Начиная с точки 3, система будет двигаться свободно по закону (4) пока не встретит второй упор - точка 5. На втором упоре процесс повторятся.
В результате закон перемещения активного захвата оказывается примерно трапециидальным (сплошная линия на фиг.2). Площадки выстоя 1-2, 5-6, 9-10… на максимальных напряжениях образца позволяют обеспечить время на процессы пластической деформации образца. При этом время движения на участках 2-5, 6-9… может быть предельно малым, за счет этого уменьшается период цикла, что приводит к сокращению времени испытаний.
Обратимся к работе установки фиг.1.
Устанавливают испытываемый образец 3 в пассивный захват 2. Далее на свободном конце образца закрепляют активный захват 4 с магнитопроводным стержнем 5. При включении питания источника 15 фронт напряжения обеспечит импульсы тока в катушках 6, 7. В силу неравенства этих токов взаимодействие магнитных полей катушек с магнитопроводным стержнем 5 через активный захват 4 создаст импульс силы, которая подтолкнет испытываемый образец 3. После окончания фронта питания образец начнет колебания на собственной частоте.
0
u
0
0
При колебаниях в катушке освобождения W 6 будет индуцироваться ЭДС пропорциональная подмагничевающему току и скорости магнитопроводного стержня 5 (т.к. транзистор VT3 закрыт, то подмагничивающий ток в катушке импульса W 7 ничтожно мал, поэтому ЭДС этой катушки не рассматриваем). Скорость магнитопроводного стержня представляет собой первую производную перемещения - формула (6). На фиг.3 функция скорости изображена пунктирной линией. Для наглядности функция скорости в некоторых точках совмещена с графиком перемещения, поэтому масштабы на отдельных участках не равны. В соответствии с вышеизложенным ЭДС е в катушке W пропорциональна скорости .
0
см
0
0cм
см
u
u
ЭДС e катушки освобождения 6 является управляющим сигналом для схемы формирования импульсов привода (СФИП) 16. При достижении скорости стержня Х ЭДС e будет иметь уровень e. Потенциал источника смещения Е принят равным этой величине. Следовательно, транзистор VT1 откроется при этом уровне и сформирует импульс длительностью t (фиг.3). Усиленный каскадом на транзисторе VT1 данный импульс откроет ключевой транзистор VT3 и через катушку импульса W 7 пройдет импульс тока. Магнитное поле катушки обеспечит взаимодействие с магнитопроводным стержнем 5, т.е. механический импульс. Энергия импульса будет компенсировать энергию потерь в системе. После переходного процесса установится стационарный режим и перемещение активного захвата будет соответствовать функции Хна фиг.3. Заметим, что деформация функции X импульсом привода будет минимальна, поскольку импульс симметричен положению равновесия системы (соблюдены требования теоремы Эри).
см
Пользователь для выбора параметров функции нагружения имеет возможность смещать исходное положение упругих упоров 8, 9 и регулировать энергию подводимого через катушку привода 7 импульса уровнями питания Е и смешения Е источника тока 15. При необходимости возможно применить пружины 12 упоров другой жесткости. При этом всегда характер функции нагружения (функция Х на фиг.3) остается неизменным. Кроме регулирования режима работы установки имеется возможность при назначении максимального напряжения цикла варьировать геометрическими параметрами образца исследуемого материала.
u
Окончание испытаний образца пользователь определяет в соответствии с принятой программой, как правило, измеряя количество циклов нагружения (в данном случае количество импульсов t) или время.
В целом, установка для ускоренных испытаний материалов на усталость отличается простотой конструкции, не содержит кинематических пар трения, технологична и удобна в пользовании. (Значение единственной пары трения в упругом упоре невелико, поскольку основным параметром упора является жесткость его пружины). Установка может найти широкое применение при ускоренных испытаниях различных материалов на усталость.
Список документов, цитированных в заявке
1. Школьник Л.М. Скорость роста трещин и живучесть металла. - М.: Металлургия, 1973. - 216 с.
2. Школьник Л.М. Методика усталостных испытаний. Справочник. М.: Металлургия, 1978. - 304 с.
3. Способ определения усталостного повреждения материала: авт. свид. 905721 СССР: МПК G01N 3/32 / Иванов Г.П., Елгаев Н.А., заявитель Владимирский политехнический институт - №2825901/25-28; заявл. 05.10.1979; опубл. 15.02.1982, Бюл. №6.
4. Установка для испытания материалов на усталость: пат. на изобретение 2373512 Рос. Федерация: МПК G01N 3/32 / Лодус Е.В., патентообладатель Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный горный институт имени Г.В.Плеханова (технический университет)» (RU) №2008138480/28; заявл. 26.09.2008; опубл. 20.11.2009.
5. Установка для испытаний образцов на усталость: авт. свид. 1755110 СССР: МПК G01N 3/38 / Иванов Г.П., Елгаев Н.А., Уткин А.В., заявитель Владимирский политехнический институт - №4692360/28; заявл. 22.05.1989; опубл. 15.08.1992, Бюл. №30.
6. Установка для испытания группы образцов на усталость: пат. на изобретение 2017122 Рос. Федерация: МПК G01N 3/32 / заявитель и патентообладатель Власов В.П. - №5049670/28; заявл. 26.05.1992; опубл. 30.07.1994.
7. Установка для усталостных испытаний образцов материалов: пат. на изобретение 2051359 Рос. Федерации: МПК G01N 3/32 / заявитель и патенто-обладатель Лодус Е.В. - №5003492/28; заявл. 26.09.1991; опубл. 27.12.1995.
8. Установка для усталостных испытаний деталей на остаточный ресурс: заявка №2010124671/28 (035170) от 16.06.2010 / Сушина А.Н., Елгаев Н.А., Шарыгин Л.Н., заявитель Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Владимирский государственный гуманитарный университет». Решение о выдаче патента на полезную модель от 24.09.2010 - прототип.