Установка для испытания образцов на одноосное сжатие материалов преимущественно растительного происхождения
APPARATUS FOR TESTING SPECIMENS FOR UNIAXIAL COMPRESSION OF MATERIALS OF PRIMARILY PLANT ORIGIN

Установка для испытания образцов на одноосное сжатие материалов, преимущественно растительного происхождения
Изобретение относится к технике исследования деформационно-прочностных свойств материалов, преимущественно растительного происхождения.
Известна установка для испытаний винтовых пружин на одноосное сжатие, включающая неподвижный корпус с размещенными на нем двумя оппозитно расположенными опорами с поперечными  к линии 4 сжатия опорными поверхностями для крепления между ними исследуемой пружины, каждая опора имеет центрально расположенный относительно линии сжатия фиксатор исследуемого образца с выступающей на опорной поверхности частью, по меньшей мере одна из опор подвижна и соединена с приводом  ее движения по линии сжатия. Фиксатор представляет собой круглый выступ, предотвращающий боковое смещение пружины (патент РФ № 2412430). Недостатком устройства является невозможность его применения для испытания образцов из материалов преимущественно растительного происхождения, поскольку они вырезаются из клеточной структуры, наполненной клеточной жидкостью, и образуют по поверхности контакта жидкостную пленку, способствующую выскальзыванию образца из опор.
Известно также устройство на одноосное сжатие, имеющее центрально расположенный относительно линии сжатия фиксатор исследуемого образца с выступающей перед опорной поверхностью частью. Фиксатор  выполнен в виде кольцевого бурта, который плотно охватывает исследуемый образец у его торцов (Патент РФ 2 523 769). Его недостатком является ограничение у опор утолщения образца при сжатии, вызывающее в нем искажение напряжений и результатов испытаний.
Известно также устройство для испытания на сжатие образцов из пластичных материалов, в котором центрально расположенный относительно линии сжатия фиксатор выполнен  в виде круглой плиты, выступающей над опорной поверхностью части (SU 1 024 800). Своим плоским выступом он сминает центральную часть образца, что будет существенно искажать результаты испытаний.
По совокупности технических признаков, общих с заявляемой установкой, за прототип принят патент РФ № 2 412 430.
Технический результат предлагаемого изобретения заключается в повышении точности результатов деформационно-прочностных испытаний на сжатие удлиненных образцов материалов, преимущественно растительного происхождения.
Указанный результат достигается тем, что установка для испытания образцов на одноосное сжатие материалов, преимущественно растительного происхождения содержит неподвижный корпус с размещенными на нем двумя оппозитно расположенными опорами  с поперечными  к линии сжатия опорными поверхностями для крепления между ними исследуемого образца, каждая опора  имеет центрально расположенный относительно линии сжатия фиксатор исследуемого образца с выступающей на опорной поверхности частью, по меньшей мере одна из опор подвижна и соединена с приводом ее движения по линии сжатия, а также устройство измерения, включая автоматизированное, текущих значений деформационно-прочностных характеристик сжатия. При этом установка имеет ограничитель сближения опор, и выступающая часть фиксатора образца каждой опоры выполнена в виде иглы, ось которой направлена по линии сжатия, и длина ее выступающей части составляет 0,05 - 0,30 диаметра образца. Кроме того игла может быть выполнена с тонкостенными радиальными к линии сжатия ребрами, быть дополненной хвостовиком, установленным в опоре, и быть съемной. Кроме того каждая игла может быть установлена с возможностью смещения вдоль линии сжатия ее утапливанием в канале опоры или являющегося ее частью вкладыша, и ее хвостовик упруго поджат в опоре с силой, превышающей в направлении сжатия осевое усилие на иглу со стороны разрушаемого образца.
Удлиненный образец необходим для получения объективного результата его конечного разрушения сжатием. Поскольку растительные материалы имеют клеточное строение, их разрушение является хрупким. Поэтому для наглядной картины полного разрушения по плоской поверхности, наклоненной под углом 45° к линии сжатия, образец должен иметь соотношение продольного размера к поперечному от полуторакратного до трехкратного. В образцах с соотношением поперечного размера к продольному меньшим единицы хрупкое разрушение проявляется не столь наглядным образом и опирание образца в опорах более существенным образом влияет на результаты исследования. Испытания на сжатие образцов с большим значением этого соотношения могут приводить к потере устойчивости и потому не дают полную диаграмму разрушения. При сжатии образца на поверхности контакта с опорами появляется клеточная жидкость, увеличивающая вероятность выскальзывания образца из опор без потери его устойчивости. Наличие игл препятствует выскальзыванию такого длинного образца. Меньшая величина отношения размеров образца препятствует образованию наклонного скола, что затрудняет оценку вида разрушения и снижает точность регистрируемых параметров разрушения. Центрально расположенные иглы с указанными размерами выступающей части не препятствуют проявлению и регистрации истинного характера деформации образца и его прочностных характеристик. Для материалов с жесткой и менее вялой структурой, например для свежего картофеля, яблок, груш, служат иглы с выступающей частью, близкой к нижнему значению указанного ее предела, для более податливых  вялых материалов из вялого картофеля, сочных яблок и мягких груш – с выступающей частью, близкой к указанному верхнему пределу. Иглы, дополненные хвостовиком, являются сменными и могут заменяться в зависимости от исследуемого материала. Разрушение по типу хрупкого проявляется четче в испытаниях материалов с жесткой структурой. Деформация вычисляется в виде отношения изменения продольного размера образца к его начальной длине и для образцов из растительных материалов обычно составляет величину, близкую 0,3. Поэтому в момент разрушения образца расстояние между вершинами игл составляет от 0,30 до 0,67 высоты образца, что не мешает его разрушению по типу хрупкого раскалыванием по плоской поверхности, наклоненной под углом 45°, и позволяет остановить сближение опор с помощью ограничителя до касания игл друг с другом. При исследовании податливых материалов может явно не проявиться раскалывание образца. Тогда для получения полной диаграммы разрушения окажется полезным сближать опоры до их касания друг другом. Такое сближение обеспечивают опоры с утапливаемыми иглами давлением своими вершинами друг на друга. При этом повреждение игл не будет происходить вследствие малости усилия их упругого поджатия.
Изобретение поясняется четырьмя фигурами. На фиг. 1 изображена схема установки с вариантом иглы в виде стержня круглого поперечного сечения, на фиг. 2 - вырез А с вариантом иглы оребренной, на фиг. 3 - вариант со съемной иглой в опоре, на фиг. 4 - вариант опоры с иглой, имеющей возможность осевого смещения для утапливания в опоре.
Установка для испытания образцов на одноосное сжатие материалов преимущественно растительного происхождения включает (фиг. 1) неподвижный корпус 1 с размещенными на нем двумя оппозитно расположенными опорами 2 и 3 с поперечными к линии 4 сжатия опорными поверхностями 5 и 6 для крепления между ними исследуемого образца 7. Каждая опора 2 и 3 имеет центрально расположенный относительно линии 4 сжатия фиксатор исследуемого образца 7 с выступающей на опорной поверхности 5 и 6 частью. По меньшей мере, одна из опор, например, опора 2, подвижна и соединена с приводом 8 ее движения по линии 4 сжатия, Привод 8 может быть ручным, электрическим или гидравлическим. Установка имеет устройство измерения 9 произвольного типа, включая автоматизированное, текущих значений деформационно-прочностных характеристик сжатия, контактный или бесконтактный ограничитель 10 сближения опор 2 и 3. Выступающая часть фиксатора образца каждой опоры выполнена в виде иглы, ось которой направлена по линии 4 сжатия, и длина h ее выступающей части 11, 12, 13, 14 составляет 0,05 - 0,30 диаметра d образца. Игла предотвращает выскальзывание образца 7 из опор 2 и 3 и не препятствует получению истинных характеристик деформационно-прочностной диаграммы разрушения сжатием.
Выступающая часть иглы может быть выполнена с тонкостенными радиальными к линии 4 сжатия ребрами 15 (фиг. 2). Ребра 15 позволяют испытывать деформационно весьма податливые материалы, предотвращая смещения их образцов 7 в опорах 2 и 3.
Игла может быть дополнена хвостовиком 16, 17 установленным в опоре 2 и 3, и быть съемной, например, для ее замены (фиг. 3). Наличие у иглы хвостовика 16, 17 позволяет, не меняя опор 2 и 3, заменять иглы, подбирая их под исследуемый материал.
Каждая игла может быть установлена с возможностью смещения вдоль линии 4 сжатия ее утапливанием в канале 18 опоры 2 и 3 или  являющегося ее частью вкладыша 19, и ее хвостовик 17 упруго поджат в опоре пружиной 20 с силой, превышающей в направлении сжатия осевое усилие на иглу со стороны разрушаемого образца (фиг. 4). Возможность утапливания иглы в опоре 2 и 3 позволяет смыкать опоры до их касания, обеспечивая выявление особенностей деформирования весьма податливых материалов.
Установка работает следующим образом.
В неподвижный корпус 1 между опор 2 и 3 устанавливают образец 7 центрально по линии 4 сжатия. Подвижную опору 2 подводят к образцу 7 и сближают с оппозитной ей опорой 3 вплоть до опирания торцевыми частями образца 7 на опорные поверхности 5 и 6. При этом происходит полное погружение в образец 7 выступающих частей 11-14 игл обеих опор 2 и 3. Усилие погружения частей 11-14 в образец 7 составляет несущественную величину в общем усилии сжатия вследствие малого поперечного сечения игл без ребер и с ребрами 15.
После полного погружения выступающей части 11-14 игл в образец 7 усилие сжатия обнуляется на устройстве 9. Затем с помощью привода 8 производится процесс сжатия образца 7 с регистрацией деформационно-прочностных параметров и построения диаграммы сжатия в автоматическом или ручном режиме. Сближение опор 2 с 3 прекращают либо после разрушения образца 7 хрупким раскалыванием с падением усилия сжатия до нуля, либо остановкой привода 8 с помощью ограничителя 10, предотвращающего контакт вершинами частей 11, 12, 13 игл. Для более жестких материалов подбираются иглы без ребер 11, 13,  для более податливых, вялых – иглы с ребрами 15. Смену игл производят с помощью хвостовика 16 или 17.  Если испытания проводят с податливыми материалами, то становится целесообразным применение игл с хвостовиками 17, упруго поджатыми во вкладыше 19 опоры 2 и 3 пружиной 20. При контакте вершин игл и продолжении сближения опор происходит их утапливание в каналах 18 опор 2 и 3. Поскольку усилие их упругого поджатия мало, иглы контактируют своими торцевыми поверхностями без повреждения друг друга.