Устройство для измерения перемещений краев надреза в образцах при повышенных температурах в процессе испытаний
DEVICE FOR MEASURING DISPLACEMENTS OF NOTCH EDGES IN SPECIMENS AT ELEVATED TEMPERATURES DURING TESTING

Область техники
Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано, в частности, для измерения перемещений краев надреза в образцах при их нагружении при повышенных температурах в процессе испытаний на трещиностойкость.
Уровень техники
Из уровня техники известно принятое в качестве прототипа заявляемого изобретения устройство для измерения перемещений при повышенной температуре, содержащее подвеску, установленные на ней два шарнирно связанных в виде ножниц пустотелых рычага, закрепленные на одних концах рычагов измерительные наконечники и закрепленные на других концах рычагов измерительный преобразователь и регулировочный винт, кинематически связанный с измерительным преобразователем, отличающееся тем, что, с целью повышения достоверности измерений, измерительные наконечники выполнены в виде жаропрочных ножей, подвеска - в виде двух пустотелых элементов, каждый из которых представляет собой установленные параллельно плоскости расположения рычагов и симметрично относительно нее полукольца, одни концы которых соединены с помощью упругой пластины, фиксирующих винтов, предназначенных для установки на образце и установленных на других концах полуколец перпендикулярно плоскости расположения рычагов, и базирующих планок, закрепленных на упомянутой упругой пластине в средней части перпендикулярно плоскости расположения рычагов, а шарнир рычагов установлен на базирующих планках (авторское свидетельство SU 1364859 А1, дата публикации: 07.01.1988 (далее - [1])).
К недостаткам известного из [1] устройства для измерения перемещений при повышенной температуре следует отнести:
- сложность конструкции механической части устройства, содержащей шарниры и рычаги, что может снижать точность измерений в процессе испытаний;
- наличие в конструкции устройства полуколец, предназначенных для их закрепления на испытуемом образце, может вызывать неудобства для размещения устройства внутри электропечей, что вынуждает использовать в устройстве индукционный нагрев с охлаждением и за счет этого дополнительно усложняет его конструкцию.
Раскрытие изобретения
Задачей, на решение которой направлено патентуемое изобретение, является обеспечение возможности измерения перемещений краев надреза в образцах при их нагружении при повышенных температурах в процессе испытаний на трещиностойкость в электропечах, а техническим результатом - обеспечение возможности преобразования контролируемого параметра в виде перемещения измерительных наконечников, соприкасающихся с контрольными выступами образца, в перемещение измерительного щупа датчика индуктивного типа при испытании образца на трещиностойкость при повышенных температурах.
Решение указанной задачи путем достижения указанного технического результата обеспечивается тем, что устройство для измерения перемещений при повышенной температуре, отличается тем, что содержит упругий кольцевой элемент, к каждой из двух противоположных сторон горизонтального диаметра которого присоединено по одной балке, свободный конец которой представляет собой измерительный наконечник. При этом к нижней стороне вертикального диаметра упругого кольцевого элемента со стороны измерительных наконечников прикреплен нижний конец штока, а к верхней стороне вертикального диаметра прикреплена полая трубка, внутри которой размещена часть вышеуказанного штока с имеющимся на его верхнем конце выступом. Причем внутри полой трубки размещена надетая на шток пружина, один конец которой упирается в нижнюю торцевую поверхность выступа штока, а другой - в верхнюю торцевую поверхность выступа, имеющегося на внутренней стенке полой трубки. При этом внутри полой трубки также закреплен индуктивный датчик, щуп которого упирается в верхнюю торцевую поверхность выступа штока. Причем индуктивный датчик подключен к регистрирующему прибору. При этом на внешней стенке полой трубки закреплена пластина, к которой прикреплены упругие кольцевые компенсаторы, к которым прикреплены жесткие полки. Причем в боковой стенке полой трубки имеется несколько сквозных отверстий.
Причинно-следственная связь между совокупностью существенных признаков патентуемого изобретения и достигаемым техническим результатом заключается в следующем.
Жесткие полки заявляемого устройства крепятся к испытываемому на трещиностойкость образцу с помощью болтов. При этом упругий кольцевой элемент поджимается на уровне его горизонтального диаметра таким образом, чтобы по одному измерительному наконечнику находилось в контакте с одним из контрольных выступов надреза образца. При этом пружина, размещенная внутри полой трубки, также находится в поджатом состоянии. После чего испытываемый образец помещают с установленным на нем устройством в электропечь таким образом, чтобы часть полой трубки, внутри которой находится пружина и индуктивный датчик со щупом, находились вне электропечи. Это необходимо для уменьшения воздействия высоких температур на пружину и индуктивный датчик со щупом в процессе нагрева образца в электропечи. При этом имеющиеся в боковой стенке полой трубки сквозные отверстия обеспечивают дополнительное воздушное конвективное охлаждение штока, пружины и индуктивного датчика со щупом, размещенного внутри полой трубки.
При проведении испытаний образца на трещиностойкость к двум имеющимся в нем отверстиям (по одному отверстию с каждой стороны от надреза в образце) прикладывают разнонаправленную нагрузку с одновременным нагревом образца до требуемого значения температуры. При раскрытии трещины в области надреза расстояние между контрольными выступами надреза образца начинает увеличиваться, а измерительные наконечники, находящиеся в контакте с контрольными выступами, начинают отдаляться друг от друга за счет разжатия кольцевого упругого элемента на уровне его горизонтального диаметра. При разжатии кольцевого упругого элемента шток перемещается внутри полой трубки, и происходит разжатие находящейся внутри полой трубки пружины, один конец которой упирается в нижнюю торцевую поверхность выступа штока, а другой - в верхнюю торцевую поверхность выступа, имеющегося на внутренней стенке полой трубки, поскольку выступ полой трубки и выступ штока отдаляются друг от друга на вертикальном уровне. При этом щуп индуктивного датчика, упирающийся в верхнюю торцевую поверхность выступа штока, перемещается в противоположную сторону от упругого кольцевого элемента, а сигнал от индуктивного датчика о перемещении его щупа поступает на подключенный к нему регистрирующий прибор.
Таким образом, при использовании заявляемого устройства для измерения перемещений при повышенной температуре обеспечивается возможность преобразования контролируемого параметра в виде перемещения измерительных наконечников, соприкасающихся с контрольными выступами образца, в перемещение измерительного щупа датчика индуктивного типа при испытании образца на трещиностойкость при повышенных температурах в электропечи.
Краткое описание фигур
На фиг. 1 представлен вид сбоку устройства для измерения перемещений при повышенной температуре, присоединенного к исследуемому образцу, находящемуся внутри электропечи. На фиг. 2 представлен узел соединения полой трубки с упругим кольцевым элементом. На фиг. 3 представлен узел установки пружины со штоком внутри полой трубки.
Описание позиций фигур
1 - измерительные наконечники;
2 - упругий кольцевой элемент;
3 - балки;
4 - болты;
5 - шток;
6 - гайки;
7 - полая трубка;
8 - гайки;
9 - выступ на верхнем конце штока;
10 - пружина;
11 - выступ на внутренней стенке полой трубки;
12 - индуктивный датчик;
13 - болт;
14 - щуп;
15 - регистрирующий прибор;
16 - провод;
17 - пластина;
18 - выступ на внешней стенке полой трубки;
19 - гайка;
20 - упругие кольцевые компенсаторы;
21 - болты;
22 - болты;
23 - жесткие полки;
24 - сквозные отверстия;
25 - болты;
26 - образец;
27 - отверстия в образце;
28 - электропечь.
Осуществление изобретения
Ниже приведен частный пример конструкции устройства для измерения перемещений при повышенной температуре и принцип его работы.
Устройство для измерения перемещений при повышенной температуре, содержит упругий кольцевой элемент 2, изготовленный из трубы из Стали 10Х9МФБ согласно ТУ 14-3Р-55-2001, в каждой из двух противоположных сторон горизонтального диаметра которого имеется по одному сквозному круглому отверстию, к которому прикреплено по одной выполненной из Стали 15X11MФ изогнутой балке 3 с помощью болтов 4. Причем свободный конец каждой из вышеуказанных изогнутых балок 3 представляет собой выполненный из Стали 15X11MФ измерительный наконечник 1. При этом в нижней стороне вертикального диаметра упругого кольцевого элемента 2 со стороны измерительных наконечников 1 имеется одно сквозное круглое отверстие, в котором закреплен нижний конец выполненного из Стали 12Х18Н10Т цилиндрического штока 5 с помощью двух гаек 6, накрученных на резьбу, имеющуюся на внешней стенке штока 5, по одной гайке 6 с внешней и внутренней стороны кольцевого элемента 2. Причем в верхней стороне вертикального диаметра упругого кольцевого элемента 2 имеется сквозное круглое отверстие, в котором закреплена выполненная из Стали 12Х18Н10Т полая цилиндрическая трубка 7 с помощью двух гаек 8, накрученных на резьбу, имеющуюся на внешней стенке цилиндрической трубки 7, по одной гайке 8 с внешней и внутренней стороны упругого кольцевого элемента 2. При этом внутри полой трубки 7 размещена часть вышеуказанного штока 5 с имеющимся на его верхнем конце цилиндрическим выступом 9. Причем внутри полой трубки 7 размещена надетая на шток 5 пружина 10, один конец которой упирается в нижнюю торцевую поверхность выступа на верхнем конце штока 9, а другой - в верхнюю торцевую поверхность цилиндрического выступа 11, имеющегося на внутренней стенке полой трубки 7. Пружина 6 изготовлена из проволоки согласно ГОСТ 18143-72 из Стали 30X13. При этом внутри полой трубки 7 также закреплен с помощью болта 13, вкрученного в сквозное круглое отверстие с резьбой в боковой стенке полой трубки 7, индуктивный датчик 12, щуп 14 которого упирается в верхнюю торцевую поверхность выступа на верхнем конце штока 9. В качестве индуктивного датчика 12 используется датчик перемещения типа RM с диапазоном измерений от 0 до 10 мм, диапазоном температур от -40°С до +120°С и выходным сигналом от 0 до 5 В. Причем индуктивный датчик 12 подключен с помощью провода 16 к регистрирующему прибору 15, в качестве которого используется самопишущий двухкоординатный прибор Н307/1. При этом на внешней стенке полой трубки 7 закреплена изготовленная из Стали 30X13 пластина 17, которая надета через имеющееся в ней сквозное отверстие поверх полой трубки 7. Причем верхняя торцевая поверхность пластины 17 упирается в выступ на внешней стенке полой трубки 18, а нижняя торцевая поверхность - в гайку 19, накрученную на резьбу, имеющуюся на внешней боковой стенке полой трубки 7, над гайками 8. При этом к торцевым поверхностям пластины 17 с противоположных сторон от балок 3 прикреплено по одному упругому кольцевому компенсатору 20, изготовленному из тонкого листа Стали 30X13 согласно ГОСТ 5582-75, с помощью болтов 21. Причем к каждому из двух кольцевых компенсаторов 20 также прикреплено по одной жесткой полке 23, выполненной из Стали 30X13, с помощью болтов 22. При этом в боковой стенке полой трубки 7 имеются две пары сквозных продолговатых отверстий 24, расположенных с диаметрально противоположных сторон полой трубки 7. Болты 4, 13, 21, 22, 25 и гайки 6, 8, 19 выполнены из Стали 12Х18Н10Т (Фиг. 1, 2, 3).
Работа устройства для измерения перемещений при повышенной температуре осуществляется следующим образом.
Сначала жесткие полки 23 прикрепляют к испытываемому на трещиностойкость образцу 26 с помощью болтов 25. Упругий кольцевой элемент 2 вручную поджимают на уровне его горизонтального диаметра и приводят каждый из измерительных наконечников 1 в контакт с натягом с соответствующим контрольным выступом образца 26 в области его надреза. При этом пружина 10 поджимается за счет перемещения выступа штока 9 в сторону выступа на внутренней стенке полой трубки 11. Жесткость пружины 10 выбрана примерно равной жесткости упругого кольцевого элемента 2. Индуктивный датчик 12 фиксируется внутри полой трубки 7 с помощью болта 13 таким образом, чтобы его щуп 14 находился в контакте с верхней торцевой поверхностью выступа штока 9.
Затем испытываемый образец 26 с установленным на нем устройством помещают в электропечь 28 таким образом, чтобы часть полой трубки 7, в которой находится выступ на ее внутренней стенке 11, пружина 10, выступ штока 9 и индуктивный датчик 12 с его щупом 14, находились вне электропечи 28 с целью снижения влияния на них высоких температур. Внутри электропечи 28 в отверстия 27 в образце 26 устанавливались пальцы испытательной машины на растяжение (на фиг. не показаны). При этом в качестве испытательной машины на растяжение использовалась машина марки УМЭ-10ТМ, оснащенная электропечью. В зависимости от конструкции электропечи 28 возможна установка устройства с образцом 26 внутри электропечи 28 в горизонтальном или вертикальном положении.
1
2
В процессе увеличения растягивающего усилия разделенные надрезом части образца 26 раздвигаются, то есть происходит раскрытие надреза, и измерительные наконечники 1, контактирующие с контрольными выступами образца 26, отдаляются друг от друга. В результате чего упругий кольцевой элемент 2 разжимается на уровне его горизонтального диаметра, а на уровне вертикального - сжимается. При этом выступ штока 9 за счет разжатия пружины 10 перемещается вместе с контактирующим с его верхней торцевой поверхностью щупом 14 в сторону индуктивного датчика 12, с которого поступает сигнал о перемещении щупа 14 на регистрирующий прибор 15 (направление растягивающих усилий Р и Р показано на фиг. 1).
Таким образом, при применении заявляемого устройства для измерения перемещений при повышенной температуре обеспечивалась возможность преобразования контролируемого параметра в виде перемещения измерительных наконечников 1, соприкасающихся с контрольными выступами образца 26, в перемещение измерительного щупа 14 индуктивного датчика 12 при испытании образца 26 на трещиностойкость при повышенных температурах.
Промышленная применимость
Заявляемое устройство для измерения перемещений при повышенной температуре отвечает условию «промышленная применимость». Сущность технического решения раскрыта в формуле, описании и чертежах достаточно ясно для понимания и промышленной реализации соответствующими специалистами, а используемые средства просты и доступны для промышленной реализации в области измерительной техники.