УСТАНОВКА ДЛЯ ИСПЫТАНИЯ ОБРАЗЦА
SPECIMEN TESTER

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Настоящее изобретение относится к установке для проведения статических и динамических испытаний деталей, содержащей первое, неподвижно закрепленное зажимное устройство, второе, подвижно закрепленное зажимное устройство для зажатия рабочего объекта и приводной механизм для перемещения второго зажимного устройства, содержащий шатун, на котором установлено второе зажимное устройство с возможностью поворота и два конца которого соединены с соединительным стержнем, установленным с возможностью поворота, причем каждый свободный конец соединительных стержней соединен с кривошипно-шатунным механизмом.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Испытательная машина основана на совершении рабочего хода посредством кривошипно-шатунного механизма. В связи с тем что во время проведения некоторых испытаний деталей требуется постоянно управлять рабочим ходом и, следовательно, регулировать его, необходимы простые, а также по возможности износостойкие средства такого регулирования в процессе работы.
Из патента GB 450347 известны средства регулирования амплитуды в процессе работы. В указанном патенте описано устройство, в котором шатун приходит в движение с помощью двух бегунков. Регулирование положения фазы бегунков относительно друг друга позволяет получать различные длины рабочего хода, от 0 до двойного хода бегунков. Недостатком этой конструкции является необходимость в использовании ползунов. Ползуны должны обеспечивать противодавление, и в то же время при каждом ударном нагружении они совершают значительное относительное перемещение, что повышает износ.
Например, в патенте FR 1388925 указанный недостаток работы преодолен путем присоединения к шатуну двух соединительных стержней. Однако и этот механизм имеет недостаток, заключающийся в невозможности создания настолько малых рабочих ходов, насколько требуется. С одной стороны, это необходимо для запуска испытательной машины, т.к. в противном случае энергия возбуждения, прикладываемая к приводному механизму, будет недостаточна для того, чтобы подвергнуть образец требуемой нагрузке, а с другой стороны, сколь угодно малый рабочий ход может оказаться настолько значительным, что вызовет перегрузку образца.
Проблема, заключающаяся в невозможности установить нулевой рабочий ход, решена в патенте DE 2900373 С3 путем использования в сумме четырех соединительных стержней или толкателей. Несмотря на то что такое решение обеспечивает нулевой рабочий ход, для использования указанного способа требуется специальный подбор геометрических размеров. Из-за большого количества используемых узлов и элементов (и, следовательно, перемещаемой массы) работа по такой схеме малопригодна для периодического применения в течение многих лет без образования зазоров и износа.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Следовательно, целью настоящего изобретения является создание испытательной установки, имеющей простую конструкцию, низкое энергопотребление, слабо подверженной износу.
Указанная цель достигнута благодаря созданию испытательной установки согласно настоящему изобретению, в которой в исходном положении соединительные стержни привода направлены от концов шатуна в одном и том же направлении.
Согласно настоящему изобретению кривошипно-шатунные механизмы установлены с противоположных сторон шатуна. При таком расположении обеспечено, чтобы соединительные стержни выступали от концов шатуна в одном и том же направлении без усложнения конструкции.
Таким образом шатун приводится в движение с обеих сторон посредством соединительных стержней, которые в исходном положении испытательной установки расположены на шатуне одинаковым образом, т.е. под одними и теми же углами относительно шатуна. Испытательная установка согласно настоящему изобретению имеет существенное преимущество, заключающееся в том, что она содержит исключительно шарнирные опоры и, следовательно, отсутствует необходимость в использовании ползунов, которые подвержены очень сильному износу. Кроме того, существует возможность установки нулевого рабочего хода. Также в настоящем изобретении использовано небольшое количество составляющих частей, которое ограничено шатуном, двумя соединительными стержнями и двумя кривошипно-шатунными механизмами.
Испытательная установка согласно настоящему изобретению имеет очень низкое энергопотребление по сравнению с сервогидравлической или сервопневматической испытательными машинами вследствие того, что гидравлические устройства имеют большие потери мощности в сервоклапанах, что вызывает перегрев рабочей среды, необходима дополнительная подача энергии для ее охлаждения. Кроме того, гидравлические устройства должны быть выполнены так, чтобы силовая рама имела максимальную мощность для приведения в действие гидравлических цилиндров, и, следовательно, их работа недостаточно эффективна в случае умеренной или небольшой испытательной нагрузки или тестовых перемещений. Кроме того, выработка сжатого воздуха в сервопневматических системах неэффективна, преимущественно, по причине выделения тепла в компрессоре.
Составляющие части испытательной установке согласно настоящему изобретению производятся в большом количестве для стандартных нужд и имеют простую конструкцию. Более того, выбор параметров тестирования, таких как частота, нагрузка и расстояние, является абсолютно свободным и не связан с резонансными частотами, как это часто бывает в других конструкциях испытательных машин. Благодаря тому что все составляющие части соединены друг с другом посредством податливых на изгиб опор или шарнирных опор, обеспечено эффективное управление. Таким образом, динамическим величинам (ускорение, сила/расстояние) во время проведения циклического испытания таким образом могут быть заданы более высокие значения, чем это возможно в случае с машинами с магнитным линейным приводом.
Благодаря инертности, присущей системе, и преобразованию вращательного движения в перемещение рабочего хода обеспечивается очень простое управление или очень высокое качество управления входными переменными величинами, такими как, например, сила, удлинение или перемещение, включая образцы, которые демонстрируют весьма нелинейное соотношение сила-перемещение.
С целью снижения нагрузки на детали отдельных составляющих частей или для увеличения частоты испытаний кривошипно-шатунный механизм выполнен с настраиваемым бегунком, в частности, со сдвоенным бегунком. Для обеспечения возможности достижения весьма малых амплитуд рабочий ход может быть по выбору установлен на малую амплитуду или при необходимости, до значения вдвое больше указанной малой амплитуды, путем регулирования бегунка, при этом точная настройка осуществляется путем взаимного углового регулирования кривошипно-шатунных механизмов. Статическое регулирование посредством сдвоенного бегунка осуществляется, например, с помощью взаимной настройки двух бегунков, лежащих один внутри другого, что также позволяет совершить нулевой рабочий ход.
Вследствие того что тестирование образцов часто осуществляют не только с амплитудой, находящейся вблизи нулевого значения, но также с предварительным напряжением, посредством которого затем нагружают рабочий объект с некоторой амплитудой, приводной механизм прикреплен к раме и может быть предварительно напряжен натяжением или давлением в направлении перемещения ко второму зажимному устройству. При этом обеспечивают базовую нагрузку, которая должна быть приложена в виде основного натяжения или давления, посредством которого с использованием динамических средств нагружают образец (средняя нагрузка с наложенной циклической нагрузкой). При этом силы могут быть распределены таким образом, что они находятся исключительно в зоне давления или в зоне натяжения, или силы натяжения и давления прилагают поочередно.
Испытания на растяжение и на усталость могут быть выполнены с использованием испытательной установки согласно настоящему изобретению при проведении статических и динамических испытаний. Кроме того, испытательная установка и силовые приводы могут быть установлены гибко с обеспечением возможности монтажа в силовой раме или на установочной плите.
Кроме того, существует возможность синхронизации нескольких устройств посредством электронной синхронизации приводных двигателей друг с другом, что обеспечивает многоосное приложение нагрузки к образцам.
Согласно настоящему изобретению рама может быть перемещена с использованием механических средств, например посредством ходового винта, зубчатой рейки или гидравлических средств. Для точной установки указанной силы предварительного напряжения предусмотрен, например, датчик нагрузки, в частности соединенный с образцом.
В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения предполагается, что рабочий объект представляет собой образец или гидравлический цилиндр. Посредством гидравлического цилиндра рабочая среда может быть приложена, например, к наружной поверхности образца, которая нагружена под действием переменного внутреннего давления.
Кроме того, существует возможность проведения испытаний деталей с использованием внешнего давления гидравлического цилиндра для преобразования механической энергии в гидравлическое давление, которое является более эффективным, чем создание давления посредством гидравлического устройства и регулирование с помощью сервоклапана.
С другой стороны, рабочая среда может поступать во второй внешний гидравлический цилиндр, с помощью которого нагружается труднодоступный или большой рабочий объект. Путем соединения нескольких испытательных установок с гидравлическими цилиндрами, присоединенными к каждому из них, для передачи силы образцу, можно приложить силы в разных направлениях, например для испытания состояний в условиях многоосного нагружения.
Установка согласно настоящему изобретению может быть использована, в частности, в штамповочных прессах, прессах, насосах, вибрационных стендах, испытательных машинах для вибрационных испытаний или в прочем вибрационном оборудовании, в котором регулирование амплитуды рабочего хода во время работы является необходимым или преимущественным.
Другие преимущества, отличительные признаки и подробности настоящего изобретения ясны из формулы изобретения и нижеследующего подробного описания предпочтительных вариантов выполнения настоящего изобретения со ссылками на чертежи. Все элементы, обозначенные на чертежах, упомянутые в описании и в формуле изобретения, могут быть существенными для выполнения изобретения в отдельности или для любой необходимой комбинации.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фиг.1 изображает первый вариант выполнения испытательной установки согласно настоящему изобретению,
Фиг.2 изображает второй вариант выполнения испытательной установки согласно настоящему изобретению,
Фиг.3 иллюстрирует работу приводного механизма при нулевом рабочем ходе,
Фиг.4 иллюстрирует работу приводного механизма при среднем рабочем ходе,
Фиг.5 иллюстрирует работу приводного механизма при максимальном рабочем ходе,
Фиг.6 изображает различные виды сдвоенного бегунка,
Фиг.7 схематически иллюстрирует работу приводного механизма, и
Фиг.8 изображает еще один вариант выполнения испытательной установки согласно настоящему изобретению.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ВЫПОЛНЕНИЯ НАСТОЯЩЕГО ИЗОБРЕТЕНИЯ СО ССЫЛКАМИ НА ЧЕРТЕЖИ
На фиг.1 изображена испытательная установка 10 согласно первому варианту выполнения изобретения, в которой на основании 12 установлен первый привод 14 для квазистатического рабочего хода, т.е. для установки средней нагрузки. Привод 14 соединен посредством жесткого соединения 16 с силовым преобразователем 18, который торцом примыкает к первому зажимному устройству 20. Устройство 20 расположено напротив второго зажимного устройства 22, выполненного с приводом от второго привода 24 для циклического (динамического) перемещения при рабочем ходе. Рабочий объект 26, в частности образец 28, зажат между двумя зажимными устройствами 20 и 22. Положение привода 24 может быть отрегулировано и зафиксировано относительно несущей рамы 30 в зависимости от размеров образца.
В варианте осуществления изобретения согласно фиг.2 силовой преобразователь 18 соединен непосредственно с основанием 12, при этом второй привод 24 установлен с возможностью перемещения, посредством первого привода 14, относительно несущей рамы 30 основания 12, при этом создают усилие предварительного напряжения или давление, прикладываемые к рабочему объекту 26.
На фиг.3 изображен приводной механизм 32, установленный во втором приводе 24 в его исходном положении, т.е. при нулевом перемещении при рабочем ходе. Механизм 32 содержит шатун 34, в центральной точке 36 которого установлено второе зажимное устройство 22 посредством податливой на изгиб опоры (например, посредством упругой металлической пластины) или шарнирной опоры. На каждом свободном конце 38 и 40 шатуна 34 установлены с возможностью поворота соединительные стержни 42 и 44. Каждый соединительный стержень 42 и 44 присоединен к кривошипно-шатунному механизму 46 и 48 с возможностью поворота. Кривошипно-шатунные механизмы 46 и 48 выполнены с возможностью вращения, например, в направлении, показанном стрелками 50, но также в направлении, противоположном по отношению к стрелке 50. Кроме того, механизмы 46 и 48 выполнены с возможностью вращения в противоположных направлениях относительно друг друга.
Благодаря тому что кривошипно-шатунные механизмы 46 и 48 установлены с противоположных сторон шатуна 34 или центрально-симметрично относительно центра 36 шатуна 34, второе зажимное устройство 22 неподвижно (нулевой рабочий ход) при вращении кривошипно-шатунных механизмов 46 и 48. Кроме того, кривошипно-шатунные механизмы 46 и 48 вращаются одновременно и примерно с одинаковой скоростью. Соединительные стержни 42 и 44 направлены от шатуна 34 в одном и том же направлении, а это значит, что углы 52 и 54 равны.
Аналогично на фиг.4 изображен приводной механизм 32, в котором кривошипно-шатунный механизм 48 повернут на угол 90° (обозначенный 56) по часовой стрелке (математически отрицательный угол). Если в таком положении два кривошипно-шатунных механизма 46 и 48 вращаются одновременно, второе зажимное устройство 22 совершает колебательный рабочий ход 58, длина которого, например, 28 мм.
На фиг.5 показан кривошипно-шатунный механизм 48, повернутый на угол 180° (обозначенный 60) по часовой стрелке относительно положения механизма, показанного на фиг.3. Если при таком расположении два кривошипно-шатунных механизма 46 и 48 вращаются (как показано стрелками 50), второе зажимное устройство 22 снова совершает рабочий ход 58, теперь соответствующий максимальному рабочему ходу, например 40 мм. Из фиг.3-5 очевидно, что настройка угла кривошипно-шатунного механизма 48 относительно кривошипно-шатунного механизма 46 позволяет установить изменную длину рабочего хода 58. Кроме того, предпочтительно, чтобы кривошипно-шатунный механизм 46 также был выполнен с возможностью настройки.
Простая настройка хода кривошипно-шатунного механизма 46 или 48 может быть осуществлена, например, путем помещения кривошипно-шатунного механизма 46 или 48 вне сдвоенного бегунка 62. На фиг.6 показан сдвоенный бегунок 62 в трехмерном виде и в трех своих положениях. Настройку рабочего хода производят с помощью диска 112 второго бегунка, расположенного в эксцентрическом отверстии диска 110 первого бегунка, с шейкой 64, также эксцентрично расположенной в диске 112 второго бегунка.
Изображение положения бегунка, показанное на фиг.6 слева, соответствует максимальному рабочему ходу, при котором шейка 64 находится на максимальном расстоянии от центра сдвоенного бегунка 62. В положении бегунка, показанном справа на фиг.6, шейка 64 расположена точно в центре сдвоенного бегунка. Такое положение обеспечивается путем поворота диска 110 первого бегунка на угол 180° с сохранением на одной линии положения диска 112 второго бегунка. Центральное изображение показывает промежуточное положение, в котором диск 110 первого бегунка поворачивается на угол, равный 90°, против часовой стрелки. Отдельные положения дисков 110 и 112 и шейки 64 бегунка могут быть зафиксированы, например, с помощью гидравлических или механических средств.
На фиг.7 изображен силовой привод 80 для регулирования угла кривошипно-шатунных механизмов 46 и 48, и второй привод 24 для создания колебательного рабочего хода. Кроме того, на чертеже представлен приводной двигатель 66, представляющий собой, например, синхронный двигатель или серводвигатель, который приводит в движение второй кривошипно-шатунный механизм 48, непосредственно или через передачу. Первый кривошипно-шатунный механизм 46 выполнен с приводом от приводного устройства 68, например, зубчатого ремня 70, движущегося вокруг второго кривошипно-шатунного механизма 48 и четырех направляющих шкивов 72-78. Альтернативно, первый кривошипно-шатунный механизм 46 может быть приведен в действие вторым синхронным или серводвигателем, который может иметь электронную привязку по отношению ко второму кривошипно-шатунному механизму 48 с обеспечением постоянной скорости и разности фаз. Если необходимо осуществить рабочие ходы с разными амплитудами, два двигателя могут работать на разных скоростях, так что разность фаз кривошипно-шатунных механизмов 46, 48 может меняться между рабочими ходами. Позицией 80 обозначено регулировочное устройство, например, ходовой винт 82 или гидравлический или пневматический цилиндр, с помощью которого рама 84 перемещается в направлении, показанном стрелкой 86. Положение направляющих шкивов 74 и 76 относительно кривошипно-шатунных механизмов 46 и 48 изменяется посредством регулировочного устройства 80. Благодаря этому изменению относительное угловое положение кривошипно-шатунных механизмов по отношению друг к другу регулируется путем увеличения длины приводных средств, приходящейся на расстояние между двумя кривошипно-шатунными механизмами 46 и 48. Благодаря тому что два направляющих шкива 74 и 76 регулируются одновременно, когда происходит смещение рамы 84, при расположении, показанном на чертеже, во время регулирования длина приводных средств не изменяется, и отсутствует необходимость регулировать натяжение приводных устройств 68 по причине изменения положений направляющих шкивов 74 и 76. Таким образом, согласно изобретению обеспечена испытательная установка, амплитуда рабочего хода которой находится в диапазоне между нулем и максимальной величиной и может быть установлена и регулирована в процессе работы. На фиг.8 показан третий вариант выполнения испытательной установки согласно настоящему изобретению, в котором рабочий объект 26 имеет вид гидравлического цилиндра 88. Камеры 90 и 92 давления гидравлического цилиндра 88 соединены с камерами 94 и 96 давления второго гидравлического цилиндра 98 посредством гидравлических линий 100 и 102. Второй гидравлический цилиндр 98 воздействует на образец 28 и передает перемещения рабочего хода, создаваемые в первом гидравлическом цилиндре 88. Это обеспечивает, например, проведение испытаний труднодоступных или очень больших образцов 28. Кроме того, на фиг.8 наглядно изображены аккумулятор 104 давления и резервуар 106. Соединения с аккумулятором давления и с резервуаром 106 могут быть блокированы с помощью электромагнитных клапанов 108.