УСТАНОВКА ДЛЯ ИСПЫТАНИЯ МАТЕРИАЛОВ НА УСТАЛОСТЬ

Полезная модель относится к испытательной технике, к испытаниям образцов материалов и деталей машин на усталость и ресурс работы.
Методы испытаний образцов материалов и деталей машин наиболее полно изложены в монографии Л.М. Школьника (Школьник Л.М. Скорость роста трещин и живучесть металла. - М.: Металлургия, 1973. - 216 с). При усталостных испытаниях обеспечивают различные виды нагружения образца, затем изучают его свойства, например положение и размеры микротрещин. Количество циклов нагружения определяет его ресурс работы. Важно понять механизм развития микротрещин для различных материалов. Однако известные установки для испытаний материалов на усталость не позволяют наблюдать развитие микротрещин в процессе испытаний без демонтажа образца. Их отличительной особенностью является наличие сложных кинематических цепей, что приводит к снижению долговечности установок.
Установка для испытания образцов материалов на усталость при сложном напряженном состоянии (Патент RU 2472132, МПК G01N 3/32, опубл. 10.01.2013 Бюл. №1), содержащая два двигателя разной мощности с параллельными валами и встречно направленными крутящими моментами, два рычага, одни концы которых соединены с валом соответствующего двигателя, захваты для образца, один из которых установлен на конце первого рычага, электромагнитную катушку, шарнирно соединенную с концом первого рычага, и якорь, закрепленный на втором захвате, имеет два кинематически связанных между собой колеса, при этом первый рычаг выполнен с возможностью вращения вокруг своей оси, одно колесо установлено на этом рычаге соосно ему с возможностью совместного вращения, а второе колесо установлено соосно валу привода первого рычага без возможности вращения. В установке предусматриваются фиксаторы для соединения первого рычага с установленным на нем колесом и с соответствующим валом.
Рассматриваемая установка достаточно сложна, развивающаяся а образце материала микротрещина не доступна для наблюдения как в рабочем режиме, так и при выключении, поскольку после выключения образец материала окажется в неопределенном положении.
Установка для испытания образцов при циклическом нагружении (Патент RU 2488804, МПК G01N 3/32, опубл. 27.07.2013), содержащая основание, установленные на нем захваты образца, колесо с приводом вращения, ролик, кинематически связанный с колесом, рамку, в которой размещен ролик, направляющую для перемещения рамки, толкатель, соединенный с рамкой и связанный с одним из захватов, снабжена рычагом и приводом вращения рычага, размещенными на колесе, при этом ролик установлен эксцентрично на рычаге.
Этой установке свойственны те же недостатки, что и предыдущей.
В качестве прототипа выбрана установка для ускоренных испытаний материалов на усталость (Патент на ПМ RU 108843, МПК G01N 3/32. Опубл. 03.11.2010), содержащая основание, активный и установленный на основании пассивный захваты, устройство нагружения, выполненное в виде двух установленных на основании соленоидных катушек освобождения и привода, соединенных с источником тока, и сопряженного с ними соосно магнитопроводного стержня, который закреплен на активном захвате и ориентирован по направлению деформации образца материала, при этом соленоидные катушки соединены с электронным ключом, снабжена двумя упругими упорами, установленными на основании с возможностью взаимодействия с концами магнитопроводного стержня, и усилителем-формирователем сигнала электронного ключа с образованием схемы формирования импульсов привода. В этой установке схема формирования импульсов привода выполнена на основе трех транзисторов, содержит шесть резисторов и три конденсатора, при этом первые четыре резистора и коллектор третьего транзистора соединены с выходом питания источника постоянного тока, их другие выходы подключены соответственно к первому выводу катушки освобождения, коллектору первого транзистора, базе и коллектору второго транзистора, пятый резистор соединен с базой первого транзистора и выходом смещения источника постоянного тока, первый конденсатор подключен к первому выводу катушек освобождения и базе первого транзистора, второй конденсатор - к коллектору первого транзистора и базе второго транзистора, третий конденсатор - к коллектору второго транзистора и базе третьего транзистора, первый вывод катушки импульса присоединен к эмиттеру третьего транзистора, вторые выводы катушек, эмиттеры первого и второго резисторов непосредственно, а база третьего транзистора через шестой резистор подключены к общей шине.
Установка, принятая в качестве прототипа, при относительной простоте имеет низкие функциональные возможности - возможен только один режим нагружения.
Техническим результатом предлагаемого решения является расширение функциональных возможностей установки при простом конструктивном устройстве.
Указанный результат достигается тем, что 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 направлению деформации образца материала, электронный ключ соленоидных катушек, содержащий усилитель-формирователь с образованием схемы формирования импульсов привода, 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 установке для испытаний материалов на усталость измеритель перемещений активного захвата выполнен в виде замкнутого контура тока в составе последовательно соединенных соленоидной катушкой освобождения, резистора и высокочастотного выхода источника тока, при этом параллельно резистору подключен выпрямитель, последовательно с которым включен фильтр нижних частот.
В предлагаемой установке датчик фазового положения выполнен в виде закрепленной соосно на шпинделе, плоской звездочки из магнитомягкого материала, имеющей радиальные зубья, один из которых выполнен увеличенной ширины, неподвижной магнитной системы, содержащей магнитный зазор и электрическую катушку, при этом траектория движения зубьев звездочки размещена в магнитном зазоре магнитной системы.
В рассматриваемой установке фазоопределитель выполнен в составе многоканального индикаторного блока с количеством каналов равным числу зубьев звездочки датчика фазового положения шпинделя, входного конъюнктора сигнала измерителя перемещений активного захвата, выход которого подключен к входу селектора минимальной амплитуды, входного формирователя сигнала датчика фазового положения шпинделя, выход которого соединен со вторым входом входного конъюнктора сигнала измерителя перемещений активного захвата, входами счетчика импульсов, имеющего дешифратор, и селектора длительности, при этом выход последнего образует шину сброса, каждый канал индикаторного блока содержит последовательно соединенные двухвходовой конъюнктор, RS-триггер и светодиод, первые входы конъюнкторов индикаторного блока соединены с вводом селектора минимальной амплитуды, а вторые входы - с соответствующими позиционными выходами дешифратора, входы сброса RS-триггеров индикаторного блока и счетчика импульсов подключены к шине сброса.
На фиг. 1 изображена комбинированная схема установки для испытаний материалов на усталость; на фиг. 2 - электрическая принципиальная схема формирования импульсов привода; на фиг 3. - конструктивная схема датчика фазового положения шпинделя; на фиг. 4 - электрическая принципиальная схема измерителя перемещений активного захвата; на фиг. 5 - электрическая функциональная схема фазоопределителя.
Принятые обозначения
1 - основание
2 - шпиндель
3 - пассивный захват
4 - образец материала
5 - фиксатор положения шпинделя
6 - датчик фазового положения шпинделя
7 - электродвигатель
0
u
8 - соленоидные катушки W и W
9 - каркас соленоидных катушек
10 - винты крепления каркаса 9 к основанию 1
11 - магнитопроводный стержень активного захвата
12 - подшипник активного захвата
13 - источник тока
14 - переключатель режимов испытаний источника тока
0
u
15 - коммутатор катушек W и W переключателя 14
16 - измеритель перемещений активного захвата
17 - фазоопределитель
18 - схема формирования импульсов привода
19 - звездочка датчика фазового положения шпинделя
20 - зуб увеличенной ширины звездочки 19
21 - магнитная система датчика фазового положения шпинделя
22 - обмотка датчика фазового положения шпинделя
23 - формирователь
24 - конъюнктор селектора минимальной амплитуды
25 - счетчик
26 - селектор длительности
27 - селектор минимальной амплитуды
28 - дешифратор
29 - светодиоды индикаторного блока фазоопределителя
30 - RS-триггеры индикаторного блока фазоопределителя
31 - конъюнкторы RS-триггеров индикаторного блока фазоопределителя.
Установка (фиг. 1) содержит основание 1, на котором смонтирован шпиндель 2. На одном конце шпинделя закреплен пассивный захват 3 образца материала 4. Шпиндель снабжен фиксатором положения 5 с ручным управлением. На другом конце шпинделя последовательно размещены датчик фазового положения 6 шпинделя и электродвигатель 7. Элементы 2, 5, 6, 7 образуют привод пассивного захвата.
0
u
Устройство нагружения представлено двумя соленоидными катушками (W и W) 8. Конструктивно катушки выполнены в виде единого блока (намотаны бифилярно - в два провода) на каркасе 9, который закреплен на основании установки винтами 10. Активный захват выполнен в виде магнитопроводного стержня 11, который с помощью подшипника 12 закреплен на консольном конце образца материала. Магнитопроводный стержень активного захвата входит нижним концом в центральное отверстие каркаса соленоидных катушек. Общая осевая линия магнитопроводного стержня и каркаса соленоидных катушек является направлением деформации образца материала.
0
u
Имеется источник тока 13 с несколькими выходами разных напряжений, который снабжен переключателем 14 режимов испытаний, в состав последнего входит коммутатор 15 катушек освобождения W и привода W соленоида 8. Имеется измеритель перемещений 16 активного захвата, вход которого соединен с катушкой освобождения W0, а выход подключен к первому входу фазоопределителя 17. Второй вход фазоопределителя соединен с датчиком фазового положения шпинделя. Режим автоколебательного нагружения образца материала реализуется с помощью схемы формирования импульсов привода 18.
0
0
0
Измеритель перемещений активного захвата выполнен по электрической принципиальной схеме фиг. 4. Его работа основана на измерении индуктивности L катушки W. Индуктивность катушки тем выше, чем большая часть магнитопроводного стержня 11 охватывается полем катушки. Имеется контур тока в составе катушки W, резистора R1 и источника высокой частоты (десятки кГц) - один из выходов источника тока 13. Ток в этом контуре равен
17
где ω - круговая частота напряжения U;
R1 - сопротивление резистора R1.
По закону Ома падение напряжения на резисторе R1 пропорционально току I. Далее это высокочастотное напряжение выпрямляется диодным мостом VD1-VD4 и фильтруется П-образным фильтром нижних частот, составленным из резистора R2 и двух конденсаторов C1, C2.
0
16
В результате чем больше прогиб образца материала, тем ниже оказывается магнитопроводный стержень (ориентация чертежа фиг. 1), соответственно больше индуктивность L и меньше выходное напряжение U измерителя перемещений активного захвата.
Датчик фазового положения шпинделя (фиг 3.) генераторного типа. На валу шпинделя 2 соосно закреплена плоская звездочка 19 из магнитомягкого материала. Количество зубьев звездочки определяется требуемой точностью, примем для примера равным 16. Один из зубьев 20 имеет увеличенную ширину. Траектория концов зубьев проходит через зазор магнитной системы 21. Магнитная систем может быть выполнена литьем из магнитотвердого материала, либо составлена из постоянного магнита простой формы с полюсными наконечниками. На магнитной системе размещена обмотка 22. При вхождении зуба звездочки в зазор магнитной системы магнитная проводимость зазора начинает возрастать, а при выходе уменьшаться. В соответствии с законом электромагнитной индукции в обмотке датчика будет вырабатываться (индуцироваться) ЭДС. При вращении звездочки ЭДС будет представлять собой последовательность двуполярных импульсов, один из которых имеет увеличенную длительность (при прохождении зуба 20).
16
6
Фазоопределитель (фиг. 5) предназначен для определения фазового (углового) направления минимальной жесткости образца материала. Он построен на типовых функциональных элементах электроники. Входными информационными сигналами фазоопределителя являются напряжение U измерителя перемещений активного захвата и последовательность импульсов U датчика фазового положения шпинделя. Выходная информация отражается на индикаторе, который представляет собой линейку светодиодов по количеству зубьев звездочки датчика фазового положения шпинделя - в принятом выше примере n=16.
6
16
6
16
Входными сигналами фазоопределителя являются выходной импульсный сигнал U датчика фазового положения шпинделя и выходной аналоговый сигнал U измерителя перемещений активного захвата. Сигнал U поступает на вход формирователя 23. Схемотехнически это может быть триггер Шмидта. На выходе формирователя 23 имеется последовательность прямоугольных импульсов одинаковой амплитуды, в которой каждый n-ый имеет увеличенную длительность, соответствующую зубу 20 звездочки 19 датчика фазового положения шпинделя. Выходной сигнал формирователя поступает на входы конъюнктора 24 сигнала измерителя перемещений активного захвата, счетчика 25 и селектора длительности 26. Конъюнктор 24 пропускает импульсы формирователя ограничивая их по амплитуде напряжением U измерителя перемещений активного захвата. Далее селектор минимальной амплитуды 27 выделяет импульс минимальной амплитуды, на время действия которого на его выходе будет присутствовать логическая единица.
Счетчик 25 представляет собой линейку последовательно соединенных счетных триггеров. Для принятого примера n=16 линейка составит 4 триггера. Шину сброса образует выход селектора длительности 26. Этот селектор формирует короткий импульс по срезу (заднему фронту) импульса повышенной длительности с выхода формирователя 23.
Состояние счетчика 25 переводится в позиционный код дешифратором 28. Таким образом, если назвать импульс повышенной длительности нулевым (он соответствует широкому зубу звездочки датчика 6), то потенциал логической единицы на выходе дешифратора будет на той i-ой шине, которая соответствует порядковому i-му номеру зубьев звездочки. Этот цикл будет повторяться на каждом полном обороте шпинделя, соответственно и образца материала.
Управление индикаторными светодиодами 29 осуществляется единичным выходом RS-триггеров 30. Установка каждого триггера 30 в единичное состояние (S-входы) обеспечивается «своим» конъюнктором 31. Первые входы конъюнкторов 31 подключены к выходу селектора минимальной амплитуды 27, а вторые - к соответствующим выходным шинам дешифратора 28. Установка триггеров 30 в исходное состояние (входы R) осуществляется по общей шине сброса импульсом с выхода селектора длительности 26. Конъюнкторы 31, RS-триггеры 30 и светодиоды 29 образуют индикаторный блок.
Таким образом, фазоопределитель работает циклически, один цикл соответствует одному обороту шпинделя. Если в пределах оборота прогиб образца материала будет изменяться, то на индикаторе 29 высветится тот светодиод, который укажет номер зуба звездочки датчика фазового положения, соответствующий направлению (плоскости) минимальной жесткости образца материала.
0
u
см
0
u
Схема формирования импульсов привода (фиг.2) предназначена для обеспечения автоколебательного режима нагружения. Она построена по обычному для электромагнитных приводов варианту. СФИП управляется электрическим сигналом катушки W соленоида 8 (см. фиг.1). Схема формирует короткий импульс тока в катушку W. Каскад на транзисторе VT3 функционально представляет собой электронный ключ, а каскады на транзисторах VT1, VT2 являются усилителем-формирователем. Исходное состояние схемы по постоянному току: транзистор VT1 находится в режиме отсечки за счет запирающего стержня 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 W протекает небольшой ток источника Е (подмагничивающий ток) через ограничительный резистор R1, ток катушки W близок к нулю, так как транзистор VT3 закрыт.
0
u
0
мс
u
u
При включении питания источника 13 фронт напряжения обеспечит импульсы тока в катушках W и W. В силу неравенства этих токов взаимодействие магнитных полей катушек с магнитопроводным стержнем 11 создаст импульс силы, который подтолкнет активный захват, что обеспечит начало колебаний. При колебаниях в катушке освобождения W будет индуцироваться ЭДС пропорциональная подмагничивающему току и скорости магнитопроводного стержня. При достижении ЭДС уровня смещения Е транзистор VT1 откроется, а закроется на спаде ЭДС на том же уровне. Усиленный каскадом на транзисторе VT2 полученный импульс откроет ключевой транзистор VT3 и через катушку W пройдет импульс тока. Магнитное поле катушки W обеспечит подталкивающий механический импульс на магнитопроводный стержень 11. Энергия этого импульса компенсирует потери энергии при колебаниях, обеспечивая стационарный автоколебательный режим.
Рассматриваемая установка позволяет реализовать два режима испытаний. Режим 1 - режим вынужденных колебаний, когда образец материала вращается за пассивный захват, а к активному захвату приложена постоянная поперечная сила. Режим 2 - режим автоколебаний. Для ускорения времени испытаний и повышения удобства изучения состояния образца материала в процессе испытаний целесообразно эти режимы использовать последовательно.
01
u1
02
u2
u1
Режим 1. Переключатель режимов испытаний 14 источника тока устанавливают в положение «Режим 1». При этом контакты коммутатора 15 окажутся в положении фиг.1, то есть контакты S и S замкнуты, а а контакты S и S разомкнуты. В этом режиме от источника тока 13 подается электропитание на электровигатель 7, измеритель перемещений 16 активного захвата, фазоопределитель 17 и по шине питания U величиной тока задается постоянная сила, втягивающая магнитопроводный стержень 11 в соленоид 8. Эта сила обеспечивает изгиб образца материала 4. В процессе такого нагружения в конечном счете в образце материала начинает появляться микротрещина. С появлением микротрещины нарушается симметрия жесткости образца материала. На фазе поворота образца материала, когда микротрещина окажется в зоне растянутых волокон она раскрывается, а когда в зоне сжатых - схлапывается. Направление на микротрещину, т.е. плоскость минимальной жесткости в этой установке показывает индикатор фазоопределителя 17. При появлении немметрии жесткости на каждом обороте шпинделя будет будет выявляться номер зуба звездочки датчика 6 фазового положения шпинделя, следовательно оператор будет наблюдать мерцающий свет соответствующего номера светодиодного индикатора 29 фазоопределителя 17. После этого отключают электропитание двигателя 7 (или всей установки), поворачивают шпиндель 2 в положение, когда зуб звездочки 19, номер которого отмечен на индикаторе, параллельно осевой линии магнитопроводного стержня 11, затем стопорят это положение шпинделя (и пассивного захвата) фиксатором 5. При такой ориентации появляется микротрещина, которая окажется на верхней части образца материала, что обеспечит хороший обзор при ее изучении.
02
u2
01
u1
см
После ориентации образца материала и фиксации пассивного захвата переключатель режимов 14 источника тока 13 устанавливают в положение «Режим 2». При этом замыкаются контакты S, S (соответственно размыкаются S, S) за счет чего подключается к соленоидным катушкам 8 схема формирования импульсов привода (СФИП), которая обеспечивает автоколебательный режим нагружения образца материала. Источник тока 13 снабжает СФИП (фиг. 2) уровнями напряжений E и E. В этом режиме другие функциональные блоки установки обесточены.
u
Процесс испытаний ведут в соответствии с принятой программой, измеряя время работы в автоколебательном режиме или количество циклов нагружения. Во втором случае ведут подсчет импульсов с катушки привода W. Установка позволяет периодически останавливать автоколебания отключением питания СФИП с целью изучения процесса развития микротрещины.
Таким образом предлагаемая установка для испытаний материалов на усталость позволяет проводить испытания в двух режимах, за счет ориентации образца материала по плоскости минимальной жесткости обеспечивается сокращение времени испытаний до момента разрушения образца. На втором этапе испытаний (автоколебательный режим) зарождающаяся микротрещина в образце материала всегда находится в верхней части образца, что расширяет возможности изучения процесса ее развития. Конструктивно установка проста, в ней использованы типовые узлы электроники.