УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИСПЫТАНИЯ КОЛЕЦ
RING TEST DEVICE

Изобретение относится к испытательной технике и может быть использовано для экспериментального определения окружной прочности кольцевых элементов конструкций (КЭК), выполненных из композиционных материалов.
Применение в авиационных двигателях композиционных материалов позволяет при рациональном использовании их уникальных свойств существенно снизить в сравнении с традиционными конструкционными материалами массу изделия, его напряженность в поле центробежных сил, уровни динамических напряжений, повысить ресурс и надежность работы элементов двигателя.
В обеспечение создания облегченных дисков роторов ГТД, усиленных кольцами из высокомодульного углепластикового композиционного материала, в ЦИАМ разработана технология изготовления несущих колец из углепластика, получены образцы колец и проведены исследования их прочности. Разрабатываются также конструкции рабочих колес компрессоров составной конструкции из композиционных материалов, силовым элементом которых являются несущие кольца из углепластика.
Известны технические решения по определению прочности колец. Патент на полезную модель РФ №54183 от 30.12.2005 г. «Устройство для испытания кольцевых соединений на прочность» относится к области испытательной техники и может быть использован для проведения испытаний кольцевых соединений на прочность. Устройство содержит два крюка, закрепленных в захватах разрывной машины и в кольце. Крюки выполнены составными из серьги и цапфы, вставляемой соосно в отверстие серьги и кольца одинаковых диаметров. При этом цапфы стыкуются в пределах высоты кольца под углом α=arctg(d/b), где b - ширина кольца, d - внутренний диаметр кольца.
Основным недостатком данного технического решения является возникновение в испытуемом кольце изгибных напряжений одновременно с окружными. Этот недостаток не позволяет адекватно оценить прочность силового кольца.
Наиболее близким техническим решением, выбранным за прототип, является стандартная испытательная машина УМЭ-10ТМ, выполненная согласно - ГОСТ 25.603-82 от 01.01.84 г., работа которой основана на кратковременном растяжении кольцевых образцов из композиционного намоточного материала самозамыкающимися полудисками. Она снабжена секторными элементами, расположенными внутри испытуемого кольца со скоростью перемещения ее активного захвата порядка 5 мм/мин. Разрушение образцов начинается с внутренних слоев с последующим распространением зоны разрушения в сторону внешнего слоя и их разрывов. Разрушение во всех случаях носит хрупкий характер с ярко выраженным у некоторых образцов межслоевым расслоением и происходит в местах их стыка. Недостатками такого устройства являются испытания кольца непосредственно секторными элементами, и связаны с сильным изгибом кольца в местах его стыка с секторными элементами.
Технический результат представленного изобретения состоит в обеспечении надежности и создании устройства, позволяющего экспериментально определять несущую способность силового кольца в окружном направлении.
Указанный результат достигается тем, что устройство для испытания колец, содержащее секторные элементы, расположенные внутри испытуемого кольца, выполнено из n секторных элементов с расположенными в них 2n овальными отверстиями, размещенными внутри двух дисков с круговыми полостями и глухими отверстиями, в которых установлены 2n штифтов и насаженных на них секторных элементов, которые внешней частью контактируют с внутренней поверхностью испытуемого кольца. При этом внутри дисков расположены промежуточное полостное кольцо и проставка, причем в полостях дисков на буртиках, выступающих в круговые полости, установлены регулирующие кольца, а торцы испытуемого кольца стянуты дисками с установленными внутри них элементами и зафиксированы болтами на фланцах вала, причем число секторных элементов выбрано из условия исключения появления изгибных напряжений в испытуемом кольце и равно, например, двенадцати.
На фиг.1 изображено заявляемое устройство для испытания колец.
На фиг.2 показано сечение по А-А фиг.1.
Устройство для испытания колец (фиг.1) содержит вал 10, на который с помощью болтов 11 крепится левый диск 1 с круговой полостью, снабженный двумя цилиндрическими глухими отверстиями, в которые с натягом установлены штифты 7 и 8. Далее установлены проставка 3, полостное кольцо 4, а также секторные элементы 5 с буртиками и отверстиями овальной формы для посадки на штифты. Положение секторных элементов 5 с буртиками относительно левого диска 1 определяется набором регулирующих колец 6, расположенных на буртиках. Внешние цилиндрические поверхности секторных элементов 5 контактируют с испытуемым кольцом 9. Далее устройство содержит также правый диск 2 с круговой полостью, снабженный также двумя цилиндрическими глухими отверстиями, в которые с небольшим зазором посажены противоположной стороной штифты 7 и 8. Положение секторных элементов 5 относительно правого диска 2 определяется также вторым комплектом набора регулирующих колец 6, расположенных также на буртике секторного элемента 5 с противоположной стороны. Устройство фиксируется гайками и балансируется на балансировочном станке.
При нагружении испытуемого кольца возникают изгибные напряжения в области зазора δ, представленного на фиг.2. Количество секторных элементов n определяется расчетным путем из условия требуемого минимального уровня изгибных напряжений в испытуемом кольце, возникающих в области зазора δ. В заявляемом устройстве их число равно 12, что соответствует длине дуги контакта секторного элемента с внутренней поверхностью испытуемого кольца, равной 30°. Зазор δ выбирается минимально возможным, при условии свободного перемещения секторных элементов в радиальном направлении в собранном виде с установленным испытуемым кольцом. Зазор U между штифтами 7 или 8 и верхним краем овальных отверстий, выполненных в секторных элементах 5, определяет расстояние, которое проходят секторные элементы после разрушения испытуемого кольца (фиг.2). Величина запаса хода секторных элементов выбирается из условия необходимого вида разрушения (трещина, полный разрыв) и зависит от механических характеристик материала испытуемого кольца. Для определения запаса хода секторных элементов используется набор регулировочных колец 6.
Работа заявляемого устройства для испытания колец осуществляется следующим образом. Окружная скорость вращения устройства плавно повышается. В результате набор секторных элементов 5 под действием центробежной нагрузки начинает давить в радиальном направлении на испытуемое кольцо 9, создавая в нем растягивающие окружные напряжения. При этом все элементы устройства удерживаются от осевых смещений левым 1 и правым 2 дисками. Чтобы набор секторных элементов 5 двигался только в радиальном направлении, в каждом секторном элементе предусмотрены два овальных отверстия и круглые направляющие штифты 7 и 8. Скорость вращения устройства повышается до тех пор, пока испытуемое кольцо 9 не будет разрушено. В момент разрушения испытуемого кольца 9 набор секторных элементов 5 продолжает свое движение в радиальном направлении, пока не упрется в регулирующие кольца 6. Регулирующие кольца 6 определяют расстояние в радиальном направлении, которое может пройти набор секторных элементов 5 после разрушения испытуемого кольца 9. Внутренний диаметр регулирующих колец 6 подбирается таким образом, чтобы набор секторных элементов 5 после разрушения испытуемого кольца 9 проходил как можно меньшее расстояние (не более 1 мм). Но в то же время радиальный ход набора секторных элементов 5 должен быть достаточен, чтобы обеспечить радиальную деформацию испытуемого кольца 9 вплоть до его разрушения. Ограничение радиального перемещения набора секторных элементов 5 до минимального значения необходимо для максимального снижения ударной нагрузки от них на регулирующие кольца 6 и левый 1 и правый 2 диски.
Устройство для испытания колец позволяет экспериментально определять несущую способность силового кольца в окружном направлении.