Устройство для испытания кольцевых образцов на растяжение

Полезная модель относится к области испытательной техники, а именно к средствам испытания кольцевых образцов на растяжение.
Известно устройство для испытания кольцевых образцов на растяжение, содержащее коническую оправку, входящую в испытываемый кольцевой образец, который установлен на разрезной втулке, стянутой пружинами (ГОСТ 11706-78. Метод испытания на раздачу кольца конусом). Недостатком известного устройства является неравномерность нагружения внутренней поверхности кольцевого образца из-за конической поверхности инструмента, влияние трения на точность и повторяемость результатов измерений. Для испытания образцов различных диаметров требуются различные разрезные втулки и конусы соответствующих диаметров, что удорожает эксперимент при исследовании образцов широкой номенклатуры.
Известно устройство, принятое за прототип, которое содержит корпус, выполненный в виде стакана с отверстием, в дне которого имеется отверстие, выталкиватель с рабочим торцем в виде конуса с углом при вершине 140-170°, установленный в отверстии дна стакана, крышку с опорной конической поверхностью, установленную в корпусе и выполненную с отверстием, соосным отверстию в дне стакана, плунжер с рабочим торцем в виде конуса с углом при вершине 140-170°, размещенный в отверстии крышки, и рабочее тело, размещенное между выталкивателем и плунжером (Авторское свидетельство СССР №928190, кл. G01 N 3/08, опубликовано 15.05.82, Бюллетень №18). Применение рабочего тела из свинца позволяет реализовать схему квазиизостатического нагружения на внутреннюю поверхность кольцевого образца, что обеспечивает его одновременное растяжение по всему периметру.
Однако трение рабочего тела по торцевым поверхностям искажает форму рабочего тела и приводит к бочкообразности испытываемого образца, существенно снижая точность испытаний. Использование свинца приводит к однократному испытанию и необходимости переплавлять использованное рабочее тело. При испытании образца другого диаметра приходится использовать рабочее тело другого размера, что уменьшает возможную номенклатуру испытываемых колец, существенно увеличивает стоимость и трудоемкость эксперимента. Использование резьбового соединения на крышке, с помощью которой фиксируется кольцевой образец предполагает сборку и разборку устройства на каждом отдельном испытании, а значит не гарантирует постоянство зазора между торцем образца и торцевой поверхностью крышки. Последнее приводит к разбросу получаемых результатов и невысокой повторяемости испытаний.
Техническая проблема, решаемая изобретением - повышение повторяемости испытаний, расширение номенклатуры кольцевых образцов, которые можно испытывать в одном устройстве.
Решение указанной технической проблемы достигается тем, что:
- корпус выполнен в виде двух соосно установленных верхней и нижней полуматриц с отверстиями для плунжеров и рабочего тела;
- рабочее тело выполнено в виде цилиндра из эластичного материала (полиуретана), входящего в отверстия обеих полуматриц, и дополнительного сменного кольца из эластичного материала, одетого на цилиндр и расположенного между торцами полуматриц:
- внутренний диаметр сменного кольца соответствует внешнему диаметру рабочего тела, а его наружный диаметр соответствует внутреннему диаметру испытываемого кольцевого образца;
- между полуматрицами установлены мерные пластины, высотой равной высоте испытываемого образца;
- полуматрицы скреплены друг с другом с зазором, равным высоте мерных пластин.
Технический результат заключается в том, что корпус выполнен в виде двух полуматриц со сквозными отверстиями, в которых установлены плунжеры с возможностью перемещения и сжатия рабочего тела, которое выполнено в виде рабочего цилиндра из эластичного материала, входящего в отверстия обеих полуматриц, и надетого на него рабочего кольца, располагаемого в промежутке между полуматрицами, при этом полуматрицы разделены между собой сменными мерными пластинками и скреплены друг с другом с зазором, равным высоте мерных пластин, что дает повышение повторяемости испытаний и расширяет номенклатуру кольцевых образцов, которые можно испытывать на одном устройстве.
На фиг. 1 представлена схема предлагаемого устройства для испытания кольцевых образцов на растяжение. Устройство содержит корпус, выполненный в виде верхней полуматрицы 1 и нижней полуматрицы 2 со сквозными отверстиями, между которыми установлены мерные пластины 3. Рабочее тело 4 в виде цилиндра диаметром, равным диаметру сквозных отверстий полуматриц, установлено в отверстиях с возможностью перемещения верхним плунжером 5 и нижним плунжером 6. Дополнительный рабочий элемент 7 в виде кольца расположен между полуматрицами и одет на рабочее тело 4. Полуматрицы скреплены между собой, например, болтами, установлены на плите 8, при этом нижняя полуматрица подпружинена с помощью пружин 10, зафиксированных на нижней плите штифтами 11. Для удобства проведения испытаний, в том числе переноса и установки предлагаемого устройства на столе испытательной машины штифты 11 и нижний плунжер 6 запрессованы в плиту 8. Устройство работает следующим образом. В отверстие нижней полуматрицы 2 вставляют нижний плунжер 6 и устанавливают ее на штифты 11 и пружины 10 на плите 8. В верхнюю часть отверстия вставляют рабочее тело 4 в виде цилиндра. На цилиндр 4 одевают сменный рабочий элемент в виде кольца 7, внутренний диаметр которого соответствует диаметру цилиндра. На кольцо 7 одевают испытываемый кольцевой образец 9, внутренний диаметр которого соответствует внешнему диаметру рабочего кольца 7. На плоскую часть торцевой поверхности нижней полуматрицы устанавливают мерные сменные пластинки 3 высотой, равной высоте испытываемого кольцевого образца 9. На выступающую из полуматрицы часть рабочего цилиндра 4, одевают верхнюю полуматрицу 1, в которую вставляют верхний плунжер 5. Полуматрицы скрепляют друг с другом винтами.
Устройство в сборе помещают в испытательную установку (на чертеже не показана), которая позволяет в процессе испытаний фиксировать показания перемещения плунжера (т.е. величину осадки рабочего цилиндра) и усилие Р. К плунжеру 5 прикладывается усилие испытательной установки Р, которое сжимает рабочее тело 4. Благодаря пружинам 10, установленным на штифтах 11 реализуется двустороннее нагружение и симметричное равномерное вытекание материала рабочего тела 4 в радиальный зазор между полуматрицами 1 и 2. Радиальное давление деформируемого цилиндра передается на рабочее кольцо 7, которое в свою очередь равномерно растягивает испытываемый образец 9. Рабочее кольцо сглаживает искажение формы материала цилиндра, вытекающего в зазор между полуматрицами, поэтому исходная форма испытываемого кольцевого образца практически не меняется. Некоторое уменьшение высоты образца при растяжении может привести к увеличению зазора между торцами образца и торцевыми поверхностями полуматриц, что может привести в свою очередь к затеканию в этот зазор материала рабочего кольца и искажению результатов испытания. Для сохранения зазора в требуемых пределах часть торцевой поверхности полуматриц, контактирующая с рабочим кольцом и образцом выполнена конической. Угол при вершине конуса торцевой конической поверхности полуматриц, примыкающих к рабочему кольцу, достаточен в пределах 175-165° при испытании большинства конструкционных материалов.
В предлагаемом устройстве в качестве рабочего тела используется полиуретан. После снятия нагрузки полиуретан восстанавливает свою первоначальную форму, а, следовательно, может использоваться многократно. Причем для уменьшения возможного искажения формы рабочего кольца можно использовать для его изготовления более твердый полиуретан, чем материал рабочего цилиндра. Например, в качестве материала рабочего цилиндра использовался полиуретан с твердостью (не более) 60-70 ед. по Шору, а в качестве материала рабочего кольца полиуретан с твердостью (не менее) 80-90 ед. по Шору. Кроме того, следует отметить, что для испытаний кольцевых образцов определенной номенклатуры, требуется замена только сменного рабочего кольца, то есть в одном и том же устройстве можно испытывать кольца разных диаметров. В предлагаемом устройстве можно испытывать на растяжение как пластичные, так и малопластичные материалы.
τ
В качестве примера осуществления полезной модели можно представить испытания спеченных кольцевых образцов с исходными радиусом 25 мм, толщиной 7,5, 10 и 15 мм и высотой 10 мм соответственно, спрессованных из порошка марки ПЖ4М2. Пористость испытуемых образцов составляла 15%. В процессе испытаний фиксировались показания перемещения плунжера (т.е. величина осадки рабочего цилиндра и усилие Р. Испытания проводились на испытательной машине Zwick Z005 (производства компании Zwick/Roell, Германия). Формующие элементы, примененные в конструкции, были выполнены из полиуретана марки СКУ-7Л, модуль объемной сжимаемости которого при расчетах принимался равным 1800 МПа. Разрушение образцов происходило при растягивающей деформации порядка 16%, что соответствует испытаниям на растяжение цилиндрических образцов из данного материала. Расчетно-экспериментальная методика позволяет получить зависимость тангенциального напряжения σ в испытанном кольцевом образце от тангенциальной деформации, которую можно использовать при технологических расчетах. Предлагаемая полезная модель показала хорошую повторяемость результатов при испытаниях и удобство в использовании, в том числе при необходимости быстрого перехода на образцы других диаметров.