УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИСПЫТАНИЯ ПРУЖИН НА ПРОЧНОСТЬ
DEVICE FOR TESTING SPRINGS FOR STRENGTH

Изобретение относится к испытательной технике, в частности к стендам для испытаний пружин на прочность и предназначено для усталостных испытаний пружин на долговечность в заданном диапазоне нагрузок [G01M 13/00, G01N 3/32].
Из уровня техники известен СТЕНД ДЛЯ ИСПЫТАНИЙ ПРУЖИН НА УСТАЛОСТЬ [SU 953518 (A1), опубл.: 23.08.1982], в котором на основании установлен кронштейн, шарнирно соединенный с траверсой, которая шарнирно соединена с шатуном, который в свою очередь соединен с выходным звеном электропривода, образуя четырехзвенный механизм, в котором ведущее звено совершает полный поворот, а траверса (выходное звено) совершает возвратно-вращательное движение. Испытуемые пружины, установленные между траверсой и основанием, попеременно растягиваются и сжимаются. Между пружинами и основанием установлены устройства для изменения предварительной деформации пружин.
К недостаткам стенда следует отнести ограниченную длину пружин сжатия, так как сама конфигурация стенда, в которой торцы пружин привода не параллельны, что в свою очередь приводит к потере устойчивости. Вторым недостатком стенда являются высокие затраты энергии, обусловленные приведенным к валу электродвигателя переменным моментом инерции всех звеньев. Кроме того, стенд имеет большие габариты.
Наиболее близким по технической сущности является УСТРОЙСТВО ДЛЯ ДИНАМИЧЕСКИХ ИСПЫТАНИЙ ПРУЖИН [SU 979953 А1, опубл.: 07.12.1982], содержащее станину, установленные на ней полый цилиндрический корпус с продольной прорезью, стойки и рычаг, один конец которого взаимодействует со стойками с помощью шарикоподшипников, а другой размещен в прорези корпуса, установленные в корпусе четыре тарельчатые опоры для размещения между ними двух испытуемых пружин, две из которых установлены по обе стороны рычага и шарнирно взаимодействуют с ним, а две другие установлены у торцов корпуса, вибратор, взаимодействующий с рычагом, и поджимные винты для статического нагружения испытуемых пружин, закрепленные на торцах корпуса и взаимодействующие с соответствующими тарельчатыми опорами, отличающееся тем, что с целью расширения функциональных возможностей устройства путем создания в пружинах поперечных динамических деформаций, в станине выполнены продольные направляющие, устройство снабжено опорной пятой, установленной в направляющих с возможностью перемещения и фиксации в заданном положении, а один из поджимных винтов размещен в пяте.
Такая конструкция уменьшает момент трения в этой шарнирной опоре, но основной технической проблемой прототипа является то, что он работает в очень малых пределах, составляющих несколько десятков миллиметров, что для современных мехатронных пружинных приводов с рекуперацией энергии не приемлемо.
Задачей изобретения является устранение недостатков прототипа.
Техническим результатом изобретения является расширение функциональных возможностей устройств для продолжительных испытания пружин на прочность.
Указанный технический результат достигается за счет того, что устройство для испытания пружин на прочность, содержащее колебательный привод и испытательный блок, отличающееся тем, что колебательный привод выполнен в виде пружинного привода, состоящего из пневматического цилиндра и испытуемых пружин, смонтированных в испытательном блоке, пневматический цилиндр смонтирован вертикально штоком вверх, а испытательный блок смонтирован над пневматическим цилиндром с помощью опорной пластины, смонтированной сверху на торце пневматического цилиндра, при этом испытательный блок содержит нижнюю и верхнюю параллельно размещенные пластины, соединенные между собой разъемным соединением с помощью радиально размещенных направляющих, выполненных с возможностью обеспечения жесткости конструкции и перемещения по ним диска, смонтированного на конце штока пневматического цилиндра, сверху и снизу упомянутого диска между верхней и нижней пластинами смонтированы испытуемые пружины, пневматический цилиндр снабжен датчиками положения его поршня, расположенными симметрично относительно его среднего положения, управление пневматическим цилиндром осуществляется с блока управления с помощью пневматических распределителей воздуха, при этом для начальной предварительной деформации испытуемых пружин в магистрали между одним из пневматических распределителей и штоковой полостью пневматического цилиндра смонтирован пневматический распределитель предварительной деформации пружин.
В частности, для компенсации диссипативных потерь и первичной максимальной деформации одной из пружин максимальное усилие пневматического цилиндра пружинного привода больше или равно максимальному усилию испытуемой пружины.
В частности, вертикальное расположение пневматического цилиндра и испытательного блока обусловлено возможностью упрощения конструкции и обеспечения размещения на испытательный блок термокамеры или холодильной камеры для испытаний пружин в разных температурных режимах.
В частности, пневматические распределители выполнены с прямым электромагнитным управлением.
В частности, в верхней и нижней пластинах и диске выполнено соосно отверстия, через которые в испытательном блоке разъемным соединением смонтированы стержни, выполненные с возможностью предотвращения потери устойчивости испытуемых пружин.
В частности, при небольшом диаметре испытуемых пружин их в четном количестве симметрично размещают на стержнях с помощью малых дисков, подвижно монтируемых на стержне, при этом количество пружин должно быть четным и не менее чем по две на каждом стержне с возможностью обеспечения работы устройства в режиме пружинного аккумулятора.
Краткое описание чертежей.
На фиг. 1 изображен общий вид устройства для испытания пружин на прочность с испытуемыми пружинами сжатия.
На фиг. 2 изображен общий вид устройства для испытания пружин на прочность без испытуемых пружин сжатия.
На фиг. 3 изображена пневматическая схема устройства для испытания пружин на прочность.
На фиг. 4 изображена кинематическая схема устройства для испытания пружин на прочность при испытании пружин сжатия.
На фиг. 5 изображена кинематическая схема устройства для испытания пружин на прочность при испытании пружин растяжения.
На фиг. 6 изображено расположение в устройстве для испытания пружин на прочность пружин сжатия с небольшим ходом.
На фигурах обозначено: 1 - пневматический цилиндр, 2 - диск, 3 - опорная пластина, 4 - стойка, 5 - нижняя пластина, 6 - направляющие, 7 - верхняя пластина, 8 - испытуемые пружины, 9 - стержни, 10 - датчики положения, 11 - блок управления, 12 - пневматический распределитель поршневой полости, 13 - пневматический распределитель штоковой полости, 14 - пневматический распределитель предварительной деформации пружин, 15 - малые диски, 16 - блок подготовки воздуха.
Осуществление изобретения.
С целью расширения функциональных возможностей устройств для продолжительных испытаний пружин на прочность предлагается использовать в них пружинный привод с использованием испытуемых пружин 8, а для компенсации диссипативных потерь и первичной максимальной деформации одной из пружин 8 предлагается использовать пневматический цилиндр 1 пружинного привода с максимальным усилием больше или равным максимальному усилию испытуемой пружины 8.
Устройство для испытания пружин на прочность состоит из вертикально расположенного на опорной поверхности пневматического цилиндра 1 (см. Фиг. 1, 2), в поршне которого установлен магнит, инициирующий включение датчиков положения 10. Датчики положения 10 выполнены с возможностью воздействия на них магнита, например, в виде датчиков Холла и расположены симметрично относительно среднего положения поршня пневматического цилиндра 1. Фактически это расстояние равно двойному значению амплитуды колебаний диска 2. Вертикальное расположение устройства обусловлено тем, что оно конструктивно проще, устройство занимает меньшую площадь в горизонтальной плоскости, позволяет сверху располагать термокамеру или холодильную камеру для испытаний пружин в разных температурных режимах.
На штоке пневматического цилиндра 1 разъемным соединением смонтирован диск 2.
С торца пневматического цилиндра 1 со стороны штока смонтирована опорная пластина 3 на которой с помощью радиально расположенных стоек 4 смонтирован испытательный блок состоящий из нижней 5 и верхней 7 параллельно размещенных пластин, жестко соединенных между собой разъемным соединением радиально смонтированными направляющими 6. Направляющие 6 выполнены с возможностью размещения на них диска 2 и перемещения диска 2 вдоль испытательного блока между упомянутыми пластинами 5, 7. Диск 2 выполнен с возможностью размещения сверху и снизу упомянутого диска 2 между верхней 7 и нижней 5 пластинами испытуемых пружин 8.
В каждой из пластин 5, 7 и диске 2 выполнено соосно, по крайней мере, по два отверстия, расположенными с угловым шагом, равным 180 градусам. Через указанные отверстия разъемным соединением смонтированы стержни 9 (см. Фиг. 2), выполненные с возможностью предотвращения потери устойчивости испытуемых пружин 8 с большим рабочим ходом.
Кроме того, устройство позволяет испытывать пружины небольшого диаметра и с небольшим рабочим ходом.
На фиг. 7 показано расположение трех пружин на стержне 9 с помощью малых дисков 15, свободно монтируемых на стержне 9. Такое конструктивное решение позволяет разместить на каждом из стержней 9 одинаковое количество испытуемых пружин 8. В иллюстрируемом варианте на стержнях 9 будет расположено шесть испытуемых пружин 8, по три на каждом из стержней 9.
На пневматическом цилиндре 1 установлены датчики положения 10 (см. Фиг. 3), соединенные с блоком управления 11. К поршневой полости пневматического цилиндра 1 подключен пневматический распределитель поршневой полости 12, а к штоковой полости пневматического цилиндра 1 подключен соответственно пневматический распределитель штоковой полости 13 пневматического цилиндра 1. Упомянутые пневматические распределители 12, 13 выполнены с прямым электромагнитным управлением.
Пневматические распределители 12, 13 подключены к блоку подготовки воздуха 16, снабженным прецизионным регулятором давления в котором пневматические распределители 12, 13 через прецизионный регулятор давления (на фигурах не показан) соединены с пневматической системой. Для начальной предварительной деформации испытуемых пружин 8 в пневматической схеме в магистрали между пневматическим распределителем штоковой полости 13 и штоковой полостью пневматического цилиндра 1 смонтирован пневматический распределитель предварительной деформации пружин 14. Упомянутый пневматический распределитель 14 выполнен с возможностью ручного управления или от блока управления 11 с помощью электромагнитного привода (на фигурах не показан).
Порядок подготовки устройства для испытания двух пружин на прочность следующий:
1) демонтируют верхнюю пластину 7;
2) с вытянутого штока пневматического цилиндра 1 демонтируют диск 2;
3) к нижней пластине 5 монтируют стержни 9;
4) на нижнюю пластину 5, снаружи стержней 9 монтируют первую испытуемую пружину 8;
5) на шток пневматического цилиндра 1 монтируют диск 2;
6) с помощью пневматического распределителя предварительной деформации пружин 14 в штоковую полость пневматического цилиндра 1 подают давление для втягивания штока и сжатия первой испытуемой пружины 8;
7) на диск 2 снаружи стержней 9 устанавливают вторую испытуемую пружину 8 которую сверху прижимают верхней пластиной 7, монтируемой к направляющим 6.
Устройство для испытания пружин на прочность готово к работе (испытаниям).
Величину необходимого максимального рабочего хода обеспечивают с помощью датчиков положения 10, сигналы с которых поступают в блок управления 11.
Для испытаний пружин большого диаметра в испытательный блок соосно пневматическому цилиндру 1 устанавливают две испытуемых пружины 8 (см. Фиг. 4, 5). Для пружин небольшого диаметра, но с величиной рабочего хода равному рабочему ходу пневматического цилиндра 1 устанавливают не менее четырех пружин 8. При рабочем ходе равном или меньшем половины рабочего хода пневматического цилиндра 1 количество пружин может быть увеличено вдвое, при этом суммарное усилие всех испытуемых пружин 8 не должно быть больше усилия пневматического цилиндра 1.
При небольшом диаметре испытуемых пружин 8 их в четном количестве симметрично размещают на стержнях 9 с помощью малых дисков 15 (см. Фиг. 6), подвижно монтируемых на стержне 9, при этом количество пружин должно быть четным и не менее чем по две на каждом стержне 9 с возможностью обеспечения работы устройства в режиме пружинного аккумулятора.
Кроме того, при испытаниях пружин большой длины, но с величиной суммарного рабочего хода равному рабочему ходу пневматического цилиндра на шток пневматического цилиндра 1 с помощью муфты монтируют удлинитель (на фигурах не показан), обеспечивающий увеличение длины упомянутого штока, а направляющие 6 и стержни 9 устанавливают исходя из увеличенной длины штока.
Испытания пружин на прочность с помощью заявляемого устройства осуществляют следующим образом.
При запуске устройства с помощью пневматического распределителя предварительной деформации пружин 14 отключают подачу воздуха высокого давления в штоковую полость пневматического цилиндра 1 и одновременно с помощью пневматического распределителя поршневой полости 12 в поршневую полость подают воздух с пониженным давлением для компенсации потерь на трение в штоке, поршне и внутреннее трение в испытуемых пружинах 8. Прецизионное регулирование давления осуществляют блоком подготовки воздуха 16. При достижении поршнем пневматического цилиндра 1 крайнего верхнего положения, при котором шток полностью вытянут, с датчика положения 10 в блок управления 11 поступает сигнал и блок управления 11 подает сигнал на отключение пневматического распределителя поршневой полости 12 и включение пневматического распределителя штоковой полости 13 пневматического цилиндра 1. Движение поршня в обратную сторону происходит под действием сжатого воздуха низкого давления и усилия испытуемых пружин 8.
Без учета диссипативных потерь время движения поршня пневматического цилиндра 1 из одного крайнего положения в другое равно полупериоду колебаний гармонического осциллятора и определяется по формуле:
1
2
3
где m - масса диска 2, m - масса штока с поршнем, m - масса пружины, с - жесткость пружин;
Таким образом, испытуемые пружины 8, являясь упругим звеном колебательной системы попеременно сжимаются и разжимаются относительно своего нейтрального положения. Изменение амплитуды циклической деформации испытуемых пружин 8 регулируется путем изменения расстояния между датчиками 10, выходы которых соединены с блоком управления 11. В этом случае пневматический цилиндр 1 работает в двух режимах: режим первичной зарядки пружинного аккумулятора, когда в штоковую полость пневматического цилиндра 1 через пневматический распределитель штоковой полости 13 подают максимальное давление. Переход во второй режим работы начинается с момента, когда отключают подачу воздуха высокого давления и с помощью пневматического распределителя поршневой полости 12 в поршневую полость пневматического цилиндра 1 подают сжатый воздух низкого давления через прецизионный регулятор давления с нижним пределом давления близким к нулю.
Это позволяет компенсировать затраты энергии на потери на трение в пневматическом цилиндре 1 и потери на внутреннее трение в испытуемых пружинах 8, что позволяет снизить затраты энергии на весь срок длительных испытаний на усталостную прочность.
Описанное устройство является универсальным для испытаний как пружин сжатия, так и растяжения. При испытаниях пружин сжатия большой длины используют ограничительные стержни 9, расположенные в нижней 5 и верхней 7 пластинах испытательного блока. В упомянутых пластинах 5, 7 выполнен набор отверстий, организованный таким образом, что монтаж через них стержней 9 позволяет испытывать пружины наружным диаметром от 45 до 100 мм. При проведении испытаний пружин растяжения устройство позволяет устанавливать в испытательного блоке четыре или восемь испытуемых пружин 8. Общим для всех испытаний является условие, при котором максимальное рабочее усилие пневматического цилиндра должно быть больше суммарного усилия половины испытуемых пружин 8. Изменяя амплитуду колебаний штока пневматического цилиндра 1 получают возможность определять долговечность испытуемых пружин 8 различной конфигурации и при их разных рабочих деформациях, что обеспечивает достижение заявленного технического результата.