Стенд для проведения статических и циклических испытаний крестообразных образцов
STAND FOR STATIC AND CYCLIC TESTS OF CRUCIFORM SPECIMENS

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к области динамических испытаний изделий на прочность, а именно к стендам для проведения испытаний крестообразных образцов при их статическом и циклическом нагружении.
Уровень техники
Известен стенд для малоцикловых деформационно-силовых испытаний моделей натурных конструкций сосудов. Изобретение относится к диагностированию сосудов, работающих под действием статических и малоцикловых нагрузок от внутреннего избыточного давления и может быть использован для оценки прочности сосудов при диагностировании с учетом фактических параметров нагруженности их конструктивных узлов и элементов. Стенд содержит корпус, нижнюю опору, патрубки, механизм нагружения. Корпусом служит уменьшенная модель исследуемого сосуда со штуцерным узлом, состоящим из патрубка и обечайки, а механизмом нагружения является насос, связанный с патрубком подвода жидкости через поршневой гидроцилиндр. Штуцерный узел снабжен тремя тензорезисторами, соединенными с тензостанциями и установленными один на наружную поверхность обечайки на расстоянии 3-5 мм от сварного шва, второй на внутренней поверхности патрубка в точке пересечения образующих внутренних поверхностей обечайки и патрубка, а третий на внутреннем торце патрубка. На корпусе и насосе установлены манометры. Стенд позволяет давать оценку нагруженности конструкции и уменьшать погрешность оценки прочности и ресурса конструкций, непосредственное испытание которых затруднительно или невозможно [RU №2497095С1, опубл. 27.10.2013].
Недостатком стенда является возможность давать только качественную оценку прочности и ресурса сосудов и аппаратов, а также высокая трудоемкость работ при проведении испытаний. Давать количественную оценку состояния сосудов и аппаратов с использованием критериев оценки стенд не позволяет.
Известна также машина испытательная для статических испытаний сварных соединений при растягивающих и сжимающих нагрузках при испытании образцов толщиной от 2 до 25 мм. Машина включает в себя основание, траверсу с двумя гайками, гидравлических захватов (верхний и нижний), двух гидроцилиндров, поршней со штоками гидроцилиндров, одновременно являющихся колоннами машины, поршневую и штоковую полость гидроцилиндров, датчик силы, датчик перемещения, установку насосную, систему управления и измерения [патент RU №99171 U1, опубл. 10.11.2010)
Недостатком данной машины является невозможность проводить испытания образцов при циклических нагрузках, а также отсутствие испытательной камеры для проведения испытаний при низких температурах и в рабочих средах.
Известен также стенд для динамических испытаний изделий на усталостную прочность при циклических нагрузках. Стенд для динамических испытаний изделий на усталостную прочность при циклических нагрузках содержит основание, расположенные на нем приводной электродвигатель, механизм циклического растяжения в виде установленных под углом первого и второго валов с фланцами, снабженными самоустанавливающимися креплениями для испытываемых изделий, и устройство для регулировки растягивающих усилий. Стенд дополнительно снабжен блоком управления для регулировки усилий растяжения и частоты вращения вала электродвигателя, который соединен через упругую муфту с первым валом механизма циклического растяжения, который через первый шарнир вращения соединен с вторым валом и через второй шарнир вращения - с опорным ползуном, снабженным двумя роликовыми подшипниками для его перемещения в направлении, перпендикулярном оси вращения вала электродвигателя в плоскости первого и второго валов, а устройство для регулировки растягивающих усилий выполнено в виде пневмоцилиндра, подвижный шток которого соединен с опорным ползуном, при этом рабочая камера пневмоцилиндра соединена с ресивером компрессора через регулируемый электромагнитный клапан, электрически соединенный с блоком управления [патент RU №64370 U1, опубл. 27.06.2007].
Недостатком данной машины является невозможность проводить испытания крестообразных образцов при статических и циклических нагрузках.
Сущность изобретения
Техническая проблема, на решение которой направлена заявляемое изобретение, заключается в создании универсального испытательного стенда, позволяющего проводить испытания прочностных свойств материалов из сталей путем приложения растягивающих циклических и сжимающих статических нагрузок, более конкретно, к области испытаний крестообразных образцов из листового проката и сварных соединений толщиной от 7 до 32 мм для применения в стационарных лабораториях для оценки качества материалов при строительстве, реконструкции и ремонте стальных вертикальных резервуаров для хранения нефти и нефтепродуктов.
Техническим результатом заявляемого изобретения является расширение функциональных возможностей используемого оборудования за счет создания испытательного стенда для проведения статических и циклических испытаний крестообразных образцов, обеспечивающего выбор оптимальных вариантов материала листового проката, сварочных материалов, технологии сварки на стадии проектирования, ремонта, реконструкции вертикальных резервуаров.
Технический результат достигается тем, что стенд для проведения статических и циклических испытаний крестообразных образцов содержит раму, на которой установлены двухосное нагружающее устройство, содержащее расположенные на взаимно перпендикулярных осях, под углом 90°, четыре захвата для установки крестообразного образца, четыре силовых блока для создания двухосного нагружения, каждый из которых связан с соответствующим одним из четырех захватов, ультразвуковой дефектоскоп, связанный с, по меньшей мере, двумя ультразвуковыми датчиками, установленными с двух сторон от крестообразного образца, и испытательную камеру для размещения крестообразного образца, в которой имитируются различные условия эксплуатации, при этом каждый из силовых блоков содержит средство циклического нагружения, выполненное в виде гидроцилиндра, и средство статического нагружения на крестообразный образец, выполненное в виде электромеханического цилиндра, причем силовые блок выполнены с возможностью статического либо циклического нагружения крестообразного образца одновременно по двум осям в вертикальном и горизонтальном направлении.Кроме того, в частном случае реализации изобретения рама выполнена в форме квадрата.
Кроме того, в частном случае реализации изобретения рама выполнена в форме кольца.
Кроме того, в частном случае реализации изобретения испытательная камера представляет собой климатическую камеру для испытаний при низких температурах.
Кроме того, в частном случае реализации изобретения испытательная камера представляет собой коррозионную камеру для испытаний в рабочих средах с различным содержанием коррозионно-активных компонентов.
Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения.
Реализация заявляемого изобретения поясняется чертежом, где:
на фиг.1 показана схема стенда для проведения статических и циклических испытаний крестообразных образцов,
где позиции имеют следующие обозначения:
1 - основание для рамы стенда;
2 - рама;
3 - испытуемый образец;
4, 5, 6, 7 - захваты для закрепления испытуемого образца;
8, 9, 10, 11 - силовые блоки;
12, 13, 14, 15- направляющие штанги;
16, 17, 18, 19-направляющие упоры;
20, 21 - датчики ультразвукового контроля (далее - УЗК);
22 - ультразвуковой дефектоскоп;
23 - испытательная камера.
Стенд содержит раму 2, выполненную квадратной или кольцевой формы, четыре захвата 4, 5, 6, 7 для установки и закрепления испытуемого образца 3, датчики УЗК 20, 21 предназначенные для слежения за развитием трещины в испытуемом образце 3 и функционирующие от ультразвукового дефектоскопа 22, испытательную камеру 23, которая может быть выполнена в виде климатической камеры для испытаний при низких температурах или в виде коррозионной камеры для испытаний в рабочих средах с различным содержанием коррозионно-активных компонентов, силовые блоки 8, 9, 10, 11 для создания двухосного нагружения, расположенные под углом 90 градусов относительно друг друга и включающие гидроцилиндры, создающие циклические нагружения, и электромеханические цилиндры, с помощью которых устанавливается статическая нагрузка на испытуемый образец 3.
Работа стенда для проведения статических и циклических испытаний крестообразных образцов осуществляется следующим образом.
Испытуемый крестообразный образец 3 с поверхностным трещиноподобным концентратором напряжений, расположенным в его центральной части, устанавливают в раме 2 стенда и закрепляют неподвижно с помощью четырех захватов 4, 5, 6, 7, прикрепленных к четырем силовым блокам 8, 9, 10, 11, расположенных на двух взаимно перпендикулярных осях под углом 90°, каждый из которых состоит из средства циклического нагружения, выполненного, например, в виде гидроцилиндра, и средства статистического нагружения, выполненного, например в виде электромеханического цилиндра, с помощью которых устанавливается нагрузка на испытуемый образец 3. Силовые блоки 8, 9, 10, 11 создают двухосное нагружение.
К испытуемому образцу 3 прикладывают статические нагрузки - статические растягивающие (по оси «У») и статические сжимающие (по оси «X»). Величины нагрузок устанавливаются методикой испытания и зависят от геометрических параметров образцов и материалов, из которых изготовлены образцы. При этом максимальные значения нагрузок. Как в вертикальном, так и в горизонтальном направлениях не должны превышать 300 кН. После приложения статических нагрузок с помощью ультразвукового дефектоскопа 22 фиксируют амплитуду сигнала. Далее прикладывают циклические нагрузки (параметры нагружения определяются известной методикой). Через каждые 200 циклов с помощью ультразвукового дефектоскопа 22 фиксируют амплитуду сигнала и устанавливают параметры развивающейся трещины. После достижения трещиной установленных методикой размеров, испытания прекращают и проводят анализ результатов.
Дополнительно на испытуемый образец 3 устанавливают испытательную камеру 23, выполненную в климатическом или коррозионном исполнении. С двух сторон на испытуемый образец 3 устанавливают ультразвуковые датчики 20, 21, функционирующие от ультразвукового дефектоскопа 22. Далее проводят необходимые измерения и фиксацию полученной информации. Критерием успешности испытаний является время достижения трещиной установленных размеров.
Дополнительно заявляемое изобретение позволяет проводить циклические испытания по оценки скорости роста трещины в координатах «мм/цикл», при этом с помощью оптического микроскопа измеряют длину трещины за установленную единицу времени и сопоставляют с количеством циклов нагружения, соответствующего длине прироста трещины.
Заявляемое изобретение обеспечивает:
- двухосное нагружение крестообразных образцов;
- циклическое нагружение в вертикальном и горизонтальном направлении;
- статическое (растягивающее и сжимающее) в вертикальном и горизонтальном направлении;
- статическое нагружение при медленной скорости деформации в вертикальном и горизонтальном направлении.
2
С целью определения работоспособности конструкции стенда и его оптимальных характеристик были проведены испытания в лабораторных условиях при температурах окружающего воздуха в диапазоне от 15 до 25°С включительно. Испытаниям подвергался крестообразный образец из стали 09Г2С с толщиной стенки 11 мм, шириной лепестков 40 мм, высотой 500 мм из стали класса прочности С345. Испытания проводили на следующих режимах: температура в испытуемом образце - 20°С; нагрузка в статическом режиме - 150 кН; нагрузка в циклическом режиме - 200 кН; частота циклического нагружения - 100 циклов в час. Время до достижения трещиной площадью 1,0 мм установленных размеров, зафиксированных датчиками, составило 86 часов.
Предлагаемая конструкция используется для исследования долговечности листового проката и сварных соединений стенки вертикальных резервуаров путем создания в рабочей зоне образца поля двухосного напряженного состояния, которое эквивалентно напряженному состоянию стенки резервуара в условиях эксплуатационного нагружения для резервуаров объемом от 5000 до 50000 м 3 и толщиной стенки 7-32 мм.