УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИСПЫТАНИЯ ОБРАЗЦОВ МАТЕРИАЛОВ НА СЖАТИЕ (ВАРИАНТЫ)

Техническое решение относится к области определения физико-механических свойств различных материалов, а именно, к устройствам для испытания на сжатие в лабораторных условиях образцов из металла, шлакобетона, горных пород и др.
Известно устройство для испытания материалов на сжатие (Хван Д.В., Железняков Ю.А. Устройство для испытания материалов на сжатие // Заводская лаборатория. - №7, М. - 1984, с.78-79), включающее цилиндрический корпус, соосно установленный в нем пуансон и опорную плиту, между которыми размещен образец испытуемого на сжатие материала.
Недостатком известного устройства является невозможность проведения испытаний на сжатие с одновременным однородным сдвигом, что не позволяет исследовать физико-механические свойства материалов при сложном нагружении.
Наиболее близким аналогом по технической сущности и совокупности существенных признаков является устройство для испытаний материалов на сжатие (патент РФ №2134414, G 01 N 3/08, опубл. в БИ №22, 1999), содержащее корпус, соосно установленные в нем пуансон, опорную плиту и две стойки, в каждой из которых выполнены параллельно друг другу два прямых паза под углом к оси стойки, между которыми по скользящей посадке установлены верхний и нижний упоры прямоугольного поперечного сечения, по меньшей мере, с одним перпендикулярным к оси упора отверстием, в котором размещен, по меньшей мере, один палец, свободные
концы которого установлены в соответствующих пазах стоек, образуя с ними кинематические пары поступательного движения, причем на торцах упоров, контактирующих с образцом, выполнены параллельно оси их отверстия насечки, а торцы, контактирующие с пуансоном и опорной плитой, выполнены гладкими.
Недостатком известного устройства является невозможность изменения угла α прямых пазов относительно продольной оси устройства, что ограничивает технические возможности устройства при исследовании физико-механических свойств образцов различных материалов.
Техническая задача: расширение технических возможностей устройства за счет создания условий для изменения угла α наклона прямых пазов относительно его продольной оси при проведении исследований физико-механических свойств образцов различных материалов.
Поставленная задача решается следующим образом. Предлагается устройство для испытания образцов материалов на сжатие, включающее корпус, помещенные в нем соосно пуансон, опорную плиту, верхний и нижний упоры прямоугольного поперечного сечения, установленные между двумя стойками по скользящей посадке и каждый из которых имеет, по меньшей мере, одно перпендикулярное его оси отверстие, в котором помещен палец, концы которого установлены в соответствующих прямых пазах, параллельных друг другу и образующих угол α с продольной осью устройства, причем каждый палец образует кинематическую пару поступательного движения с соответствующим ему прямым пазом, торцы верхнего и нижнего упоров, контактирующие с пуансоном и опорной плитой, выполнены гладкими, а торцы этих упоров, контактирующие с образцами материалов, выполнены шероховатыми. Согласно техническому решению прямые пазы выполнены в цилиндрических
вкладышах, помещенных в соответствующие им цилиндрические гнезда стоек, и связаны с ними съемными фиксаторами.
1
2
3
4
Указанная совокупность признаков по первому варианту исполнения устройства создает возможность изменения угла α прямых пазов относительно продольной оси устройства за счет возможности поворота цилиндрических вкладышей в цилиндрических гнездах стоек, и, после закрепления съемными фиксаторами, - проведение испытаний на сжатие с одновременным сдвигом. Это позволяет без изменения конструкции устройства производить исследования физико-механических свойств различных материалов на сжатие при различных значениях угла α, например: (α=0°; α=30°; α=45°; α=60°. При этом расширяются технические возможности устройства.
Целесообразно при этом съемные фиксаторы выполнять в виде винтов, помещенных в отверстия цилиндрических вкладышей и закрепленных в резьбовых отверстиях стоек.
При этом конструктивно просто производится изменение угла α прямых пазов относительно продольной оси устройства при сборке устройства. Тем самым расширение технических возможностей устройства при проведении исследований физико-механических свойств образцов различных материалов достигается наиболее простым способом.
Целесообразно также между торцами верхнего и нижнего упоров и образца материала помещать прокладки, образующие с ними прочную адгезионную связь. Это способствует более надежной передаче усилия сдвига от устройства на образцы материалов и исключает относительное проскальзывание упомянутых торцов, что дополнительно повышает качество и достоверность конечных результатов исследования физико-механических свойств образцов различных материалов.
Во втором варианте исполнения устройство для испытания образцов материалов на сжатие включает корпус, помещенные в нем соосно пуансон, опорную плиту, верхний и нижний упоры прямоугольного поперечного сечения, установленные по скользящей посадке и каждый из которых имеет, по меньшей мере, одно перпендикулярное его оси отверстие, в котором помещен палец, концы которого установлены в соответствующих прямых пазах, параллельных друг другу и образующих угол α с продольной осью устройства, причем каждый палец образует кинематическую пару поступательного движения с соответствующим ему прямым пазом, торцы верхнего и нижнего упоров, контактирующие с пуансоном и опорной плитой, выполнены гладкими, а торцы этих упоров, контактирующие с образцами материалов, выполнены шероховатыми. Согласно техническому решению прямые пазы выполнены в конических вкладышах с их внутренних торцов, сообщающихся по скользящей посадке с верхним и нижним упорами, причем указанные конические вкладыши помещены в соответствующие им расширяющиеся наружу конические отверстия корпуса, а на внешних торцах упомянутых конических вкладышей нанесена шкала углов а поворота прямых пазов относительно продольной оси устройства и на корпусе выполнены риски, соответствующие началу отсчета углов α, причем конические вкладыши снабжены прижимными планками, связанными с корпусом посредством болтов, установленных с возможностью создания осевого усилия в направлении заклинивания сопрягающихся поверхностей указанных вкладышей и отверстий корпуса.
i
Устройство по второму варианту исполнения позволяет без изменения его конструкции произвольно и в широких пределах (α=0÷360°) изменять угол α установки прямых пазов относительно продольной оси устройства за счет возможности поворота конических вкладышей в соответствующих им конических отверстиях
корпуса и, после создания посредством болтов осевого усилия прижимными планками в направлении заклинивания этих конических поверхностей и предотвращения поворота конических вкладышей, - проведение испытаний на сжатие с одновременным сдвигом.
Таким образом, применение устройства по второму варианту исполнения расширяет технические возможности устройства при исследовании физико-механических свойств различных материалов, упрощает его конструкцию (не имеет стоек). Достигается высокая точность установки угла α, что необходимо, например, при испытаниях образцов горных пород с трещинами.
Целесообразно при этом конические вкладыши выполнять из материала, обладающего магнитными свойствами, а корпус - из магнитомягкого ферромагнитного материала. При этом создается дополнительное осевое усилие магнитного притяжения, повышается надежность фиксации конических вкладышей относительно корпуса, повышается точность установки угла α, что дополнительно повышает качество и достоверность конечных результатов исследования физико-механических свойств образцов различных материалов.
Целесообразно также между торцами верхнего и нижнего упоров и образца материала помещать прокладки, образующие с ними прочную адгезионную связь. Это способствует более надежной передаче усилия сдвига от устройства на образцы материалов и исключает относительное проскальзывание упомянутых торцов, что дополнительно повышает качество и достоверность конечных результатов исследования физико-механических свойств образцов различных материалов.
Сущность технического решения иллюстрируется примерами конкретного исполнения и чертежами, где: на фиг.1 показан общий вид устройства для испытаний образцов материалов на сжатие (первый вариант исполнения), продольный разрез; на
фиг.2 - разрез А-А на фиг.1; на фиг.3 - общий вид устройства для испытания образцов материалов на сжатие (второй вариант исполнения), продольный разрез; на фиг.4 слева - вид Б, справа - разрез Б-Б на фиг.3; на фиг.5 - пример использования устройства (второй вариант исполнения) при испытании образца горной породы на сжатие со сдвигом вдоль поверхности трещины в нем.
Устройство для испытания образцов материалов на сжатие (далее устройство) по первому варианту исполнения (фиг.1) включает корпус 1, соосно установленные в нем пуансон 2 и опорную плиту 3. Внутри корпуса 1 помещены две стойки 4, между которыми по скользящей посадке установлены верхний упор 5 и нижний упор 6 прямоугольного поперечного сечения. Каждый из упоров 5 и 6 имеет, по меньшей мере, одно перпендикулярное к продольной оси отверстие 7, в котором помещен палец 8. Концы пальца 8 установлены в прямых пазах 9, выполненных в цилиндрических вкладышах 10. Пазы 9 параллельны между собой и образуют угол α (фиг.2) с продольной осью устройства. Цилиндрические вкладыши 10 (фиг.1, 2) установлены в цилиндрических гнездах 11 стоек 4 и связаны с ними съемными фиксаторами 12. Целесообразно исполнять съемные фиксаторы 12 в виде винтов (фиг.2), помещенных в отверстия 13 цилиндрических вкладышей 10 и закрепленных в резьбовых отверстиях 14 стоек 4. Торцы 15 упоров 5 и 6, контактирующие с пуансоном 2 и опорной плитой 3, выполнены гладкими, а торцы 16 упоров 5 и 6, контактирующие с образцами 17 материалов, выполнены шероховатыми. Целесообразно также между торцами 16 упоров 5 и 6, контактирующих с образцом 17 материала помещать прокладки 27 (фиг.5), образующие с ними прочную адгезионную связь. Это способствует более надежной передаче сдвига от устройства на образец 17 материала и исключает относительное проскальзывание упомянутых торцов, что дополнительно повышает качество и
достоверность конечных результатов исследования физико-механических свойств образцов различных материалов.
1
2
1
2
3
4
Устройство по первому варианту работает следующим образом. В процессе сборки устройства производят поворот цилиндрических вкладышей 10 в цилиндрических гнездах 11 стоек 4 на необходимый угол α и фиксируют их положение съемными фиксаторами 12 в соответствующих резьбовых отверстиях 14 стоек 4. Устройство в сборе с образцом 17 (фиг.1, 2) помещают на рабочую плиту 18 пресса (на фиг. не показан). Приложение силы Р к пуансону 2 перемещает его вниз и нагрузка передается через верхний упор 5 на образец 17, который опирается на нижний упор 6 и через него на опорную плиту 3, опирающуюся на рабочую плиту 18. Так как упоры 5 и 6 через посредство пальцев 8 образуют кинематические пары поступательного движения с пазами 9 цилиндрических вкладышей 10 стоек 4, то в образце 17 создаются касательные усилия Т=/Psin2α. Возможность изменения угла α прямых пазов 9 относительно продольной оси устройства позволяет без изменения конструкции устройства производить исследования физико-механических свойств материалов на сжатие при различных значениях этого угла α. При значении угла α=0° реализуется одноосное сжатие. При значениях угла α=30°; α=45°; α=60° (наиболее часто используемых на практике) реализуется сжатие образца материала с одновременным сдвигом под углами 30°, 45° и 60° соответственно, что расширяет технические возможности устройства.
Устройство для испытания образцов материалов на сжатие (далее устройство) по второму варианту исполнения (фиг.3) включает корпус 1, соосно установленные в нем пуансон 2 и опорную плиту 3. Внутри корпуса 1 помещены по скользящей посадке между конических вкладышей 19 верхний упор 5 и нижний упор 6 прямоугольного поперечного сечения. Каждый из упоров 5 и 6 имеет, по меньшей мере, одно
перпендикулярное к продольной оси устройства отверстие 7, в котором помещен палец 8. Концы пальца 8 установлены в прямых пазах 9, которые выполнены в конических вкладышах 19 с их внутренних торцов 20. Конические вкладыши 19 (фиг.3, 4) установлены в соответствующих им расширяющихся наружу конических отверстиях 21 корпуса 1. Внешние торцы 22 конических вкладышей 19 имеют шкалу 23 углов α поворота прямых пазов 9 относительно продольной оси устройства (фиг.4). На корпусе 1 выполнены риски 24, соответствующие началу отсчета углов α. Все прямые пазы 9 параллельны между собой и образуют угол α с продольной осью устройства (фиг.5). Прижимные планки 25 связаны с корпусом 1 посредством болтов 26, установленных с возможностью создания осевого усилия в направлении заклинивания сопрягающихся поверхностей конических вкладышей 19 и конических отверстий 21 корпуса 1. Торцы 15 упоров 5 и 6, контактирующие с пуансоном 2 и опорной плитой 3, выполнены гладкими, а торцы 16 упоров 5 и 6, контактирующие с образцами 17 материалов, выполнены шероховатыми.
Целесообразно между торцами 16 упоров 5 и 6, контактирующих с образцом 17 материала, помещать прокладки 27 (фиг.5), образующие с ними прочную адгезионную связь. Это способствует более надежной передаче сдвига от устройства на образец 17 материала и исключает относительное проскальзывание упомянутых торцов, что дополнительно повышает качество и достоверность конечных результатов исследования физико-механических свойств образцов различных материалов.
i
Устройство по второму варианту работает следующим образом. Без разборки устройства производят поворот конических вкладышей 19 в конических отверстиях 21 корпуса 1 на необходимый угол α(α=0÷360°) и фиксируют их положение затяжкой болтов 26, установленных в прижимных планках 25. Устройство в сборе с образцом 17 (фиг.3, 4) помещают на рабочую плиту 18 пресса (на фиг. не показан). Приложение
1
2
i
силы Р к пуансону 2 перемещает его вниз и нагрузка передается через верхний упор 5 на образец 17, который опирается на нижний упор 6 и через него на опорную плиту 3, опирающуюся на рабочую плиту 18. Так как упоры 5 и 6 через посредство пальцев 8 образуют кинематические пары поступательного движения с пазами 9 конических вкладышей 19, то в образце 17 создаются касательные усилия Т=/Psin2α. Возможность произвольного (α=0÷360°) изменения угла α прямых пазов 9 относительно продольной оси устройства позволяет без изменения его конструкции производить исследования физико-механических свойств материалов на сжатие при различных значениях этого угла α, что расширяет технические возможности устройства.
з
Необходимое усилие Р затяжки сопрягающихся конических поверхностей можно определить из условия предотвращения проворачивания конических вкладышей 19 относительно конических отверстий 21 корпуса 1:
кр
где М - момент от силы Р в коническом вкладыше 19, Нм;
cp
d - средний диаметр конического отверстия 21, м;
К - конусность конического вкладыша 19;
ƒ - коэффициент трения.
кр
2
1
С учетом того, что максимальное значение М=/P×α×sinα, то формулу (1) можно представить в более удобном для расчета виде:
где Р - максимальное усилие на пуансоне 2 при разрушении образца 17, H;
a - длина прямого паза 9, м.
Целесообразно конические вкладыши 19 выполнять из материала, обладающего магнитными свойствами, а корпус 1 - из магнитомягкого
м
з
з
ферромагнитного материала. При этом создается дополнительное осевое усилие Рмагнитного притяжения, усилие Р затяжки сопрягающихся конических поверхностей может быть уменьшено на эту величину и формула для определения потребного усилия Р затяжки примет вид:
При этом повышается надежность фиксации конических вкладышей 19 относительно корпуса, повышается точность установки угла α, что дополнительно повышает качество и достоверность конечных результатов исследования физико-механических свойств образцов различных материалов.
cp
м
Пример использования устройства (второй вариант исполнения) при испытании на сжатие стандартного образца 17 (высотой 40 мм и диаметром 40 мм, изготовленного из горной породы - габбро) с одновременным сдвигом вдоль поверхности трещины 28 в нем, ориентированной под углом Ψ=36° к оси образца, приведен на фиг.5. Необходимо при испытании ориентировать касательное усилие Т вдоль поверхности трещины 28. Это возможно с использованием предложенного устройства при выполнении условия равенства углов α=Ψ. Корпус 1 изготовлен из магнитомягкой низкоуглеродистой стали марки Ст 3, а конические вкладыши 19 - из намагниченной стали ЮНДК35БА. Между торцами 16 упоров 5, 6 и образца 17 материала помещают прокладки 27 из стеклоткани, пропитанной компаундом на основе эпоксидной смолы ЭД-20, образующие через 18 минут прочную адгезионную связь между ними. Конусность К конических вкладышей 19 и конических отверстий 21 принята равной 0,1, так как для обеспечения затяжки в соединениях, требующих разборки, она обычно выбирается в пределах К=1:20÷1:5. Соответственно, средний диаметр d конуса конического отверстия 21 равен 0,09 м, длина α прямого паза 9-0,046 м; коэффициент ƒ трения - 0,07; усилие Р магнитного притяжения - 24 Н. Максимальное усилие Р на
з
пуансоне 2, которое достигается при разрушении образца 17 с трещиной 28, составляет Р≈820 Н. Потребное усилие Р затяжки сопрягающихся конических поверхностей определяем по формуле (3):
По результатам испытания определяется предельное усилие Р на пуансоне 2 и вычисляется касательное усилие T по трещине 28:
0
0
После разрушения образца 17 измеряется площадь F среза и может быть вычислено сцепление τ по трещине τ=T/F≈0,05 МПа.
0
Реализация устройства по второму варианту исполнения, таким образом, расширяет технические возможности устройства за счет возможности произвольного изменения и точной регулировки угла α наклона прямых пазов относительно его продольной оси. При проведении исследований физико-механических свойств образцов габбро с трещиной определяется не только предел прочности при одноосном сжатии, но и сцепление τ по трещине.