ЗАХВАТНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЗАКРЕПЛЕНИЯ СТЕРЖНЕВЫХ ОБРАЗЦОВ, НЕ ИМЕЮЩИХ ЗАХВАТНОЙ ЧАСТИ, ПРИ ИСПЫТАНИЯХ НА РАСТЯЖЕНИЕ
GRIPPING DEVICE FOR FIXATION OF ROD SAMPLES THAT DO NOT HAVE GRIP PART IN PROCESS OF TENSILE TESTS

Изобретение относится к испытаниям на растяжение при исследовании механических свойств материала, в частности к захватным устройствам для закрепления образца.
В ряде отраслей техники приходится проводить механические испытания изделий, прочность которых зависит не только от исходного качества материала, но и от технологии изготовления (при производстве холоднотянутой проволоки, арматурных прутков и т.п.) или условий эксплуатации (при длительном воздействии вибраций, коррозии и т.п.), приводящих к неоднородности свойств материала по сечению изделия. При малом поперечном сечении изделий получение из них образцов с развитой захватной частью невозможно, к тому же механическая обработка образцов приводит к потере информации о свойствах во внешней части изделия. В таких случаях применяют захватные устройства, позволяющие проводить испытания на стержневых образцах без захватной части, с неизменным по всей длине сечением.
При испытании образцов, не имеющих захватной части, удержание их производится силами трения, возникающими при сжатии образцов радиально сдвигающимися элементами: захватами, клиньями, кулачками и т.п. Это является сложной технической задачей, так как силы трения зависят одновременно от сжимающей радиальной силы и от коэффициента трения между образцом и захватами. Коэффициент трения в свою очередь определяется рядом переменных неуправляемых параметров: твердости материала, состояния поверхности образца, включая наличие на ней коррозии или следов смазки, поэтому варьирует в широких пределах. В определенных пределах варьируют и свойства испытуемых образцов. При низком значении коэффициента трения и повышенных свойствах материала испытательное усилие может оказаться больше сил трения, что приведет к выскальзыванию образца из захватов. Стремление же обеспечить запас сил трения увеличением силы радиального сжатия приводит к риску пластического пережима образцов, особенно при пониженной их прочности. В данных условиях необходимо обеспечивать оптимальное соотношение силы радиального сжатия образца с прилагаемым к нему испытательным усилием.
Одним из способов решения задачи является использование захватных устройств, в которых постоянное соотношение силы радиального сжатия на образец с приложенным к образцу испытательным усилием обеспечивается конструктивно.
Известны технические решения, в которых заданная пропорция между испытательным усилием и силой сжатия обеспечивается с помощью клиновых и рычажных механизмов. К их числу относится механизм, в котором надежность и быстродействие крепления образца обеспечивается клиновыми губками, установленными на линейные подшипники качения, под действием приложенного к образцу испытательного усилия [п. РФ №2187793 с приоритетом от 20.08.2002, G01N 3/04. Захват для крепления образцов при испытаниях на растяжение].
Общим недостатком клиновых механизмов является необходимость использования сложных и громоздких подшипниковых узлов для установки каждого из кулачков, что приводит к существенному увеличению габаритов устройства, неприемлемому при испытании образцов с ограниченными размерами.
Известно также устройство, в котором необходимое соотношение усилий обеспечивается с помощью комбинации клинового механизма и рычажной системы [п. ФРГ №2452037 с приоритетом от 06.05.1976, G01N 3/04. Зажимное приспособление машины для испытаний материалов]. В данном устройстве испытательное усилие воздействует на клиновидный поршень, перемещение которого создает радиальные усилия на зажимающих образец рычагах.
Недостатком данного устройства также является сложность и громоздкость, обусловленная многозвенностью конструкции.
Наиболее близким к предлагаемому устройству является механизированное захватывающее приспособление, устанавливаемое на машины для физических испытаний [п. Великобритании №949973, с приоритетом от 19.02.1964, G01N 3/04. Модернизированные захватывающие приспособления, устанавливаемые на машины для физических испытаний]. В этом приспособлении для закрепления образца силой, пропорциональной испытательной нагрузке, используется параллелограммный рычажный механизм, рычаги которого устанавливаются под некоторым углом к направлению оси образца (фиг.1). При рассмотрении принципа действия данного механизма удобнее характеризовать наклон рычагов с помощью угла α между рычагами и нормалью к оси образца. Под действием испытательного усилия F образец стремится переместить кулачки в соответствующем направлении, а сопутствующий этому перемещению поворот рычагов приводит к возникновению радиальной силы R=F/tgα, сжимающей образец, и, как следует из приведенной зависимости, пропорциональной испытательному усилию F. Оптимальная пропорция между испытательным усилием и закрепляющей образец радиальной силой устанавливается выбором угла наклона рычагов α, который с требуемым запасом должен быть меньше угла трения между зажимным кулачком и образцом.
Достоинство данного приспособления состоит в простоте его конструкции, включающей минимальное число кинематических звеньев.
Недостатком известного приспособления является то, что вследствие малых значений коэффициента трения и необходимости иметь запас по силе трения радиальная сила должна кратно превышать растягивающую нагрузку, вследствие чего угол наклона рычагов α весьма мал. При этом угол α не является постоянным. Он зависит от диаметра образца, меняющегося в определенных пределах. С ростом усилий на рычагах возрастают упругие деформации в системе, из-за чего угол α уменьшается. С уменьшением угла α резко увеличивается отношение радиальной силы R к испытательной нагрузке, что может привести к пластическому пережиму образца до того, как будет завершено его испытание. Для уменьшения вариации угла α приходится увеличивать длину рычагов, что приводит к росту габаритов устройства в направлении к образцу, к загромождению рабочего пространства устройства и требует увеличения длины образцов. Если длина испытуемых образцов заведомо ограничена, а на рабочей части образцов необходимо закреплять датчики для измерения деформации, возможность развития габаритов устройства ограничена, поэтому применение устройства данной конструкции невозможно.
Механизированное захватывающее приспособление, устанавливаемое на машины для физических испытаний [п. Великобритании №949973], выбрано в качестве прототипа.
Задачей, стоящей перед авторами предлагаемого изобретения, является разработка захватного устройства для механических испытаний на растяжение малогабаритных образцов без захватной части, исключающего риск пластического пережима образца силами сжатия при больших испытательных усилиях, а следовательно, для повышения надежности закрепления.
Техническим результатом данного технического решения является исключение риска пластического пережима образца металлов и сплавов, снижение габаритов устройства, возможность испытаний малогабаритных образцов.
Технический результат достигается тем, что в предлагаемом захватном устройстве для закрепления стержневых образцов, не имеющих захватной части, при испытаниях на растяжение, содержащем удерживающие образец зажимные кулачки, корпус и равномерно распределенные по его периметру рычаги, расположенные по углом к продольной оси образца, шарнирно соединенные с корпусом и с зажимными кулачками, согласно изобретению каждый из кулачков расположен диаметрально противоположно относительно образца месту крепления соединенного с ним рычага к корпусу, число кулачков выбрано равным числу рычагов, при этом части рычагов, огибающие образец, выполнены в виде скоб, а для первоначального закрепления образца между корпусом и кулачками установлен упор и упругий элемент, воздействующий на кулачки в направлении к образцу.
Установление каждого из кулачков диаметрально противоположно относительно образца месту крепления соединенного с ним рычага к корпусу обеспечивает увеличение длины рычага при тех же габаритах устройства, что уменьшает вариацию угла наклона рычагов, вызванную погрешностями зажимаемой части образца и упругих деформаций элементов устройства, возникающих при его работе. Рычаги, присоединенные к кулачкам, приобретают направление в сторону, противоположную рабочей части образца, что дает возможность дополнительной стабилизации угла наклона рычага путем увеличения его длины, так как увеличение габаритов предлагаемого устройства не загромождает рабочую часть испытательной системы и не ограничивает возможность испытаний малогабаритных образцов. При испытаниях образцов с повышенным испытательным усилием упругие деформации в предлагаемом устройстве приводят к некоторому увеличению угла между рычагами и нормалью к оси образца, что исключает пластическое деформирование зажимаемой части образца радиальными силами при любой величине испытательного усилия. Рычаги для исключения пересечения друг с другом и кулачками выполнены в виде скоб. Для равномерного обжатия образца количество рычагов соответствует количеству кулачков. Упор и упругий элемент установлены для первоначального закрепления образца.
На фиг.1 показана схема работы приспособления, выбранного в качестве прототипа [п. Великобритании №949973].
На фиг.2 показан пример конкретного исполнения захватного устройства для закрепления стержневого образца круглого сечения, не имеющего захватной части, с помощью трех рычагов и трех кулачков, при испытаниях на растяжение, где:
1 - стержневой образец без захватной части;
2 - рычаги;
3 - кулачки;
4 - корпус;
5 - упругий элемент;
6 - упор.
Устройство работает следующим образом. Благодаря использованию упругого элемента 5 при установке образца круглого сечения 1 к свободным торцам трех кулачков 3 прикладывается небольшое установочное усилие, которое приводит к их перемещению, повороту трех рычагов 2 и радиальному расхождению кулачков 3 до тех пор, пока расстояние между ними не станет достаточным для прохода образца. При испытаниях плоского образца достаточно двух кулачков и двух рычагов. Оптимальное конечное положение образца 1 при установке обеспечивается перемещением его до упора 6. При снятии установочного усилия упругий элемент 5 воздействует на кулачки 3 и перемещает их в направлении образца 1, что сопровождается поворотом рычагов 2 и схождением кулачков 3 с начальной силой сжатия. При испытании образца 1 наличие начальной силы сжатия гарантирует и наличие сил трения, которые увлекают кулачки 3, воздействующие на рычаги 2 и стремятся повернуть их в направлении увеличения угла наклона между рычагами 2 и нормалью к оси образца 1. При этом возникают силы сжатия образца 1, пропорциональные испытательному растягивающему усилию и при любом его значении достаточные для удержания образца 1. Увеличение угла между рычагами 2 и нормалью к оси образца 1 гарантированно исключает пластическое деформирование радиальными силами при любой величине испытательного усилия. Рычаги 2 для исключения пересечения друг с другом и кулачками 3 выполнены в виде скоб.
Благодаря заявляемой совокупности признаков устройства появляется возможность увеличения длины рычагов 2 при сохранении габаритов захватного устройства, что уменьшает вариацию угла наклона рычага 2 и делает соотношение между испытательным усилием и радиальными силами сжатия образца более стабильным. Не ограничивается и возможность дополнительной стабилизации угла наклона рычагов 2 путем увеличения их длины, так как при этом рост габарита устройства происходит в направлении, противоположном рабочей части образца и не затрудняет его испытаний. Упругие деформации устройства в процессе испытания приводят к увеличению угла наклона рычагов 2, что снижает отношение радиальной сжимающей силы к испытательной нагрузке и полностью исключается риск пластического пережима образца при любых испытательных нагрузках.
С использованием предложенной совокупности признаков разработана модель реального устройства. Расчетным путем установлена его работоспособность. Разработана и запущена в производство конструкторская документация на изготовление опытного образца.