Установка для испытаний на усталость плоских образцов при чистом изгибе

Полезная модель относится к машиностроению, к испытательной технике: к устройствам для испытания на усталость плоских образцов при изгибе.
Стандартные испытания материалов на усталость обычно проводятся при испытаниях цилиндрических образцов. При этом образец вращается в условиях воздействия изгибающего момента (часто рассматриваются условия чистого изгиба, когда в различных сечениях рабочей части образца изгибающий момент имеет одно и то же значение). Поверхность образца полируется. Этот режим нагружения неприемлем для определения усталостных характеристик листовых материалов по ряду причин. В частности, листовой материал может быть тонким, из него сложно (или невозможно) изготовить стандартный цилиндрический образец нужного диаметра. У листового материала свойства поверхностного слоя могут существенно отличаться от свойств материала в других зонах и т.п. Поэтому требуется испытывать плоские образцы, вырезанные из листового материала.
Известна машина для испытаний на усталость плоских образцов при чистом изгибе, ее схема показана на рис. 2.4 на стр. 34 в книге (см. книгу: Серенсен С.В., Гарф М.Э., Кузьменко В.А. Динамика машин для испытаний на усталость. М.: Машиностроение, 1967, 460 с.). Об этой машине в указанной выше книге на стр. 33 и 34 сказано следующее. Концы плоского образца жестко закреплены в зажимных устройствах двух одинаковых стоек. Одна из стоек шарнирно соединена с консольным динамометром, а другая - с качающимся рычагом. Колебания системы возбуждаются кривошипным механизмом через шатун и шарнир правой стойки. Вся колеблющаяся система машины фиксируется на массивной станине при помощи жесткого основания динамометра и шарнирной опоры рычага. Задаваемая образцу нагрузка определяется оптически по прогибу конца динамометра, пропорциональному величине изгибающего момента. Для отражения луча света служит зеркало, укрепленное на конце динамометра. Нагруженность образца регулируется при остановке машины путем изменения радиуса кривошипа.
Совпадающими признаками данной машины и заявляемой установки являются следующие. Концы плоского образца жестко закрепляются в зажимных устройствах. Причем одно зажимное устройство связано с консольной стойкой, которая одновременно выполняет роль динамометра. Колебания системы возбуждаются кривошипным механизмом через шатун и шарнир. Нагруженность образца регулируется при остановке машины путем изменения радиуса кривошипа.
Недостатки данной машины заключаются в следующем. Данная испытательная машина предназначена для испытаний на усталость только одного образца.
Известен «Стенд для исследования поведения стали при циклическом нагружении» (см. стр. 491, 492 и рис. на стр. 491 в журнале «Заводская лаборатория», 1973, №4). Стенд состоит из двух установок, имеющих общий привод. Одна из них предназначена для определения долговечности, а вторая - для исследования закономерностей зарождения и распространения усталостных трещин. Испытания на долговечность можно проводить при одновременном циклическом изгибе десяти плоских образцов. Одним из концов каждый образец жестко закреплен в индивидуальной неподвижной колодке, установленной на плите; вторые концы образцов входят в пазы подвижных колодок, закрепленных на штоке. Шток получает возвратно-поступательное движение от шатунно-эксцентрикового узла, преобразующего вращательное движение шпинделя. При перемещении штока образец нагружается регулировочными винтами подвижных колодок.
Амплитуду изгиба можно измерять индикатором по перемещению штока или измерительным микроскопом. Асимметрию цикла нагружения можно изменять перестановкой колодок на штоке или регулировкой винтов.
На установке имеется блок автоматики (блок управления). Все образцы включены последовательно в низковольтную электрическую цепь. Поломка любого образца приводит к разрыву этой цепи, через систему реле отключается электродвигатель и электрочасы, срабатывает сигнализация.
-1
Одновременно можно испытывать 10 образцов с амплитудой изгиба до 5 мм при любой ассиметрии цикла нагружения. Частота нагружения 24 сек. Предпочтительный размер образцов 2,5×12×70 мм.
Совпадающими признаками этого устройства и заявляемой установки являются следующие. Установка позволяет одновременно испытывать несколько плоских образцов на усталость при изгибе. Нагружение образцов осуществляется путем возвратно-поступательного движения штока, который взаимодействует с захватами для крепления образцов. Возвратно-поступательное движение шток получает от шатунно-эксцентрикового узла.
Недостатки этого устройства заключаются в следующем. Такая схема установки для испытания образцов не дает возможности их испытания в условиях чистого изгиба.
Известна установка для испытаний на усталость плоских образцов при изгибе, принятая в качестве прототипа (см. патент №160927 RU на полезную модель «Установка для испытаний на усталость плоских образцов при изгибе», МПК G01N 3/32, БИ №10, 2016 г.). Установка содержит основание с закрепленными на нем испытуемыми образцами; кривошипный механизм. Рычаг кривошипного механизма шарнирно связан со штоком с установленным на нем приспособлением для передачи нагрузки на образец. Это приспособление выполнено с возможностью регулирования своего положения относительно штока. Это приспособление выполнено в виде диска с круговой канавкой на ободе. При использовании этого приспособления концевая часть каждого образца закреплена на установленной на основании установки стойке, с расположенным на ней датчиком нагрузки образца при его изгибе. На противоположной концевой части образца закреплен зажим, снабженный установленным на оси роликом, размещаемым в рабочем состоянии установки в канавке обода диска приспособления.
Совпадающими признаками этого устройства и заявляемой установки являются следующие. Установка позволяет одновременно испытывать несколько плоских образцов на усталость при изгибе. Нагружение образцов осуществляется путем возвратно-поступательного движения штока, который взаимодействует с захватами для крепления образцов. Возвратно-поступательное движение шток получает от шатунно-эксцентрикового узла.
Недостатки этого устройства заключаются в следующем. Такая схема установки для испытания образцов не дает возможности их испытания в условиях чистого изгиба.
Задача полезной модели заключается в обеспечении возможности одновременного испытания нескольких образцов при условии, что установка обеспечит возможность испытания плоских образцов на усталость при чистом изгибе.
Данная задача решается тем, что установка имеет приспособления, обеспечивающие возможность нагружения образцов при чистом изгибе: для испытаний при чистом изгибе используется приспособление в виде диска, по ободу которого установлены вильчатые проушины. В эти проушины вставляют палец (ось), который выполняет роль оси вращения устройства, которое служит для закрепления верхней концевой части образца и имеет протяженную часть в направлении, нормальном к плоскости образца. При этом при приложении усилия к этой оси вращения, возникает изгибающий момент в образце. На основании также установлены вильчатые проушины. В эти проушины вставляют палец (ось), который выполняет роль оси вращения устройства, которое служит для закрепления другой концевой части образца и имеет протяженную часть в направлении, нормальном к плоскости образца. При этом при приложении усилия к этой оси вращения, возникает изгибающий момент в образце.
Сущность полезной модели заключается в обеспечении возможности одновременного испытания нескольких образцов при условии, что установка обеспечивает возможность испытания плоских образцов на усталость при чистом изгибе; при этом для каждого образца значение циклической нагрузки непрерывно записывается на компьютер, что позволяет для каждого образца определить время до появления усталостной трещины и время роста трещины.
На фиг. 1 показана схема установки для испытаний образцов при чистом изгибе (вид сбоку, на фиг. 1 показана схема при условии изображения одного образца, чтобы не загромождать рисунок).
На фиг. 2 показана часть установки без кривошипного механизма, подготовленной для испытаний на усталость образцов при чистом изгибе (на фиг. 2 показана установка с шестью образцами, но без датчиков, предназначенных для замера нагрузок).
На фигурах обозначены следующие элементы:
1 - испытуемый образец.
2 - деталь, служащая для создания изгибающего момента в образце 1; эта деталь одним концом с помощью пальца (оси) 13 и вильчатой проушины 15 скрепляется (с возможностью вращения) с основанием, а другим концом неподвижно скреплена с устройством 12, служащим для установки образца 1. На детали 2 установлен датчик 3 нагрузки образца при его изгибе (например, наклеен тензодатчик), который служит для замера усилия и преобразования замеряемой величины в электрический сигнал, который может быть записан в память вычислительной машины.
3 - датчик нагрузки образца при его изгибе (например, наклеенный тензодатчик, см. фиг. 1), который служит для замера усилия и преобразования замеряемой величины в электрический сигнал, который может быть записан в память вычислительной машины.
4 - шатун кривошипного механизма (см. фиг. 1).
5 - шток, который движется поступательно (возвратно-поступательно) вдоль направляющей при работе кривошипного механизма. (На фиг. 1 между штоком 5 и ответными деталями условно показан зазор, но фактически шток 5 должен двигаться возвратно-поступательно вдоль направляющей с минимальным «люфтом»).
6 - диск, по окружности (по ободу) которого размещены вильчатые проушины 14, в эти проушины вставляют палец (ось) 7, палец 7 выполняет роль оси вращения детали 8, неподвижно скрепленной с устройством 9, которое служит для закрепления концевой части образца 1.
7 - палец (ось); этот палец вставляется в вильчатую проушину 14, он выполняет роль оси вращения детали 8, неподвижно скрепленной с устройством 9, которое служит для закрепления концевой части образца 1.
8 - деталь, служащая для создания изгибающего момента в образце 1; эта деталь одним концом с помощью пальца (оси) 7 и вильчатой проушины 14 скрепляется (с возможностью вращения) с деталью 6, а другим концом неподвижно скреплена с устройством 9, служащим для установки образца 1.
9 - устройство, служащее для установки образца 1, устройство 9 неподвижно скреплено с деталью 8.
Детали 8 и 9 образуют верхний узел крепления образца, этот узел крепления вращается вокруг пальца (оси) 7.
10 - накладка, которая (например, с помощью винтов) крепится к устройству 9, обеспечивая неподвижное крепление образца 1 к устройству 9.
11 - накладка, аналогичная накладке 10, служащая для неподвижного закрепления к устройству 12 другой концевой части образца 1.
12 - устройство, аналогичное устройству 9, служащее для установки образца 1, устройство 12 неподвижно скреплено с деталью 2. Деталь 2 аналогична детали 8. На детали 2 установлено устройство 3 (например, наклеен тензодатчик) (на фиг. 2 оно не показано), которое служит для замера усилия и преобразования замеряемой величины в электрический сигнал, который может быть записан в память вычислительной машины.
Детали 2 и 12 образуют нижний узел крепления образца, этот узел крепления вращается вокруг пальца (оси) 13 вильчатой проушины 15, установленной на основании установки.
13 - палец (ось), аналогичный пальцу 7; палец 13 вставляется в вильчатую проушину 15, которая установлена на основании. Палец 13 выполняет роль оси вращения детали 2.
14 - вильчатая проушина, установленная на диске 6.
15 - вильчатая проушина, установленная на основании установки.
(Вильчатые проушины рассмотрены, например, на стр. 382 в книге: Лизин В.Т., Пяткин В.А. Проектирование тонкостенных конструкций. М.: Машиностроение, 2003, 448 с.).
Для замера величины нагрузки, действующей на образец 1, на деталь 2 может быть наклеен тензодатчик (или установлен другой датчик, см. позицию 3 на фиг. 1) (на фиг. 2 эти датчики не показаны).
Детали 8 и 2 имеют протяженную часть в направлении, нормальном к плоскости образца, при этом при приложении усилия к пальцу (оси) 7 возникает изгибающий момент в образце 1. На основании установки установлены вильчатые проушины 15, в проушину 15 вставляют палец (ось) 13, который выполняет роль оси вращения детали 2. Для обеспечения условия, что образец 1 нагружается изгибающим моментом в условиях чистого изгиба (т.е. когда в каждом сечении образца в рабочей зоне изгибающий момент имеет одно и то же значение), расстояние от оси вращения пальца (оси) 7 до поверхности образца 1 должно равняться расстоянию от оси вращения пальца (оси) 13 до той же поверхности образца 1. (В данном случае предполагается, что образец 1 в ненагруженном состоянии является прямолинейным и при этом детали 8 и 2 параллельны друг другу). Точнее говоря, в этом случае плоскость, проходящая через оси вращения узлов крепления (см. оси вращения пальцев 7 и 13), параллельна рабочим поверхностям образца при исходном положении установленного образца. Здесь следует пояснить, что верхний узел крепления образца состоит из связанных между собой неподвижно детали 8 и устройства 9, при этом для крепления образца используется накладка 10 и соответствующие винты для ее крепления. Нижний узел крепления образца состоит из связанных между собой неподвижно детали 2 и устройства 12, при этом для крепления образца используется накладка 11 и соответствующие винты для ее крепления. При этом элементы с номерами 9 и 12 имеют рабочие поверхности, к которым поджимается плоский образец 1; при исходном положении установленного прямолинейного образца 1 рабочие поверхности (т.е. поверхности, к которым «поджимается» плоский образец) элементов с номерами 9 и 12 лежат в одной плоскости. Если требуется осуществлять несимметричный цикл нагружения, то после установки и закрепления образца 1 путем смещения деталей задается начальный изгибающий момент образца 1.
Фактически такая схема нагружения обеспечивает при циклическом нагружении постоянную амплитуду перемещения соответствующих деталей (предполагается, что люфты малы, шток 5 движется строго поступательно вдоль направляющей и разрушение отдельных образцов не вносит заметных изменений в режим нагружения других образцов). При этом для каждого образца значение циклической нагрузки непрерывно записывается на компьютер, что позволяет определить время до появления усталостной трещины и время роста трещины. (Появление усталостных трещин сопровождается падением величины нагрузки).
Рассмотрим случай нагружения образцов при чистом изгибе (см. фиг. 1 и 2). Подготовка к работе и работа установки осуществляется следующим образом. К основанию крепят детали с вильчатыми проушинами 15, в которых (для каждого образца) с помощью пальца (оси) 13 шарнирно закреплена деталь 2. На штоке 5 устанавливают деталь 6 (диск, по ободу которого смонтированы вильчатые проушины 14, в которые (для каждого образца) вставлен палец (ось) 7, служащий для шарнирного крепления детали 8). Предварительно высота крепления детали 6 определяется «на глазок» (чтобы обеспечивалось удобство при установке образцов 1). Когда установлена деталь 8 (соединенная с устройством 9) и деталь 2 (соединенная с устройством 12) с помощью накладок 10, 11 и винтов неподвижно (относительно соответствующих деталей) закрепляют концевые части образца 1 (при этом, при необходимости, регулируют высоту установки детали 6). На деталях 2 установлены датчики (например, наклеены тензодатчики) для замера нагрузки. (На фиг. 2 эти датчики не показаны.) Для тарировки системы может использоваться «контрольный образец» с наклеенным тензодатчиком. Медленно вращая кривошипный механизм, меняя «плечо» кривошипного механизма и высоту крепления диска 6 на штоке 5, добиваются нужного режима нагружения образца 1. Затем устанавливают остальные образцы 1.
Предполагается, что тензодатчик (или другой датчик), устанавливаемый на деталь 2, оттарирован. Если он не оттарирован, то проводится его тарировка (или проверка). Цикл нагружения может быть симметричным, или иметь постоянную составляющую, на которую накладывается переменная составляющая.
Предполагается, что оси вращения пальцев (осей) 7 и 13 (т.е. оси вращения узлов крепления образца) параллельны друг другу, а плоскость, проходящая через эти оси вращения, параллельна рабочим поверхностям образца при исходном положении установленного образца в ненагруженном состоянии. Эти оси вращения лежат в одной плоскости и одинаково удалены от штока 5. Расстояние между осями вращения пальцев (осей) 7 и 13 отрегулировано так, что обеспечивается установка образца 1 заданных размеров и вильчатые проушины, служащие для установки пальца (оси) 13, неподвижно закреплены на основании (после регулировки соответствующих расстояний). Обычно испытывают серию одинаковых образцов 1 (в принципе, образцы 1 могут быть изготовлены из разных материалов или иметь разную толщину). Аналогичным образом устанавливают остальные образцы 1. В «идеальных» условиях показания датчиков, установленных на деталях 2, должны быть одинаковыми для всех образцов, если образцы одинаковы. Фактически на практике по ряду причин (люфты в системе, разброс размеров образцов и т.д.) обычно наблюдается некоторый разброс значений усилия, воздействующего на образец. Но датчики устанавливают на каждой детали 2. И для каждого образца в память ЭВМ записывается величина нагрузки и количество циклов нагружения. «Спад» значения величины нагрузки (для конкретного образца) свидетельствует о том, что в нем образовалась усталостная трещина.
После соответствующей настройки деталь 6 неподвижно закрепляют на штоке 5. Для неподвижного закрепления детали 6 на штоке 5, шток 5 может иметь резьбу, на которую навинчиваются гайки (и контргайки) или деталь 6 может быть снабжена специальными винтами (на фиг. 1 и 2 приспособления для неподвижного закрепления детали 6 на штоке 5 не показаны).
Когда установлено требуемое количество образцов 1 и проделаны другие операции (датчики, установленные на деталях 2, подключены к ЭВМ; деталь 6 неподвижно закреплена на штоке 5 и др.), включают электродвигатель, который вращает кривошипный механизм; с помощью рычага 4 вращательное движение преобразуется в возвратно-поступательное движение штока 5.