СПОСОБ ДИНАМИЧЕСКИХ ИСПЫТАНИЙ ВИНТОВЫХ ПРУЖИН СЖАТИЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD FOR DYNAMIC TESTING OF HELICAL COMPRESSION SPRINGS AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Группа изобретений относится к испытательной технике, а именно, к способам и устройствам для испытаний конструкций на вибрацию и может применяться в составе динамическим стендов для испытаний винтовых пружин сжатия.
Из уровня техники известен стенд для ударных испытаний и способ его применения (SU 1348686 A1, МПК G01M 7/00, опубл. 30.10.1987). Стенд содержит ударяемую с наковальней платформу, на которой установлена пневматическая камера с отверстием, перекрытым разрушаемым специальным устройством диафрагмой. Над отверстием камеры расположен стол для установки испытуемого изделия. Ударный импульс формируется при соударении платформы с наковальней, а затухающие колебания ствола с изделием возбуждаются ударной волной, образующейся при разрушении диафрагмы. Использование в стенде съемных волновода и приемника ударной волны расширяет возможность регулирования воспроизводимых нагрузок. Способ применения стенда подразумевает изменение величины начального давления в пневматической камере, за счет чего регулируют интенсивность формируемой ударной волны, а используя съемные волноводы и приемник ударной волны, изменяют параметры импульса, возбуждающего колебания стола.
Недостатком стенда является его конструктивная сложность, возможность его применения для испытаний изделий, подвергаемых в процессе эксплуатации ударным нагрузкам с малой величиной деформации самой детали. Исключена также возможность контроля фазы восстановления деформированной предварительно испытуемой детали.
Наиболее близким к заявленному изобретению и выбранным в качестве прототипа признан стенд для динамических испытаний пружин сжатия и способ его применения (RU 2138794 C1, МПК G01M 17/04, опубл. 27.09.1999). Стенд содержит основание, пневматическое разгонно-тормозное устройство, включающее цилиндр, спереди и сзади закрытый фланцами, размещенный в центре поршень, снабженный штоком и разделяющий полость цилиндра на поршневую и штоковую камеры, соединенные между собой, устройство возврата поршня в исходное положение, концентрично расположенный относительно поршня ресивер, подключенный к магистрали сжатого воздуха. Способ применения стенда подразумевает осуществление циклического нагружения цилиндрической пружины надетой на шток с помощью сжатого воздуха.
Недостатком известного технического решения является ограниченная возможность регулирования амплитуды испытаний пружин, относительная сложность управления процессом испытания, а также отсутствие в конструкции стенда элементов автоматики, позволяющих осуществлять количество циклов нагружения.
Технической задачей, на решение которой направлена заявленная группа изобретений, является повышение точности воспроизведения динамической нагрузки с крутым передним фронтом, действующей на испытуемое изделие - пружину сжатия в фазах ее сжатия.
Указанная задача решена тем, что способ динамических испытаний винтовых пружин, включает в себя одевание испытываемой пружины на направляющий стержень, являющийся подвижной частью устройства для динамических испытаний винтовых пружин сжатия, обеспечивая сопряжение задней поверхности испытываемой пружины и расширения направляющего стержня. Отличает способ от известных аналогов то, что стержень с испытываемой пружиной устанавливают в направляющую втулку, являющуюся неподвижной частью устройства для динамических испытаний винтовых пружин сжатия, обеспечивая сопряжение передней поверхности испытываемой пружины и торца направляющей втулки, приводят направляющий стержень в соприкосновение с ударным элементом привода нагружения, устанавливают высоту предварительного поджатая, включают привод нагружения устройства и проводят испытание пружины.
Устройство для осуществления способа содержит направляющую втулку, закрепленную в удерживающем приспособлении испытательного оборудования, направляющий стержень, с надетой испытываемой пружиной, установленный в осевом отверстии направляющей втулки. Отличает устройство от известных аналогов то, что в осевом отверстии со стороны установки направляющего стержня выполнено углубление, высотой равной рабочей высоте пружины, на опорной поверхности которого закреплен тензометрический датчик, устройство дополнительно содержит ударный элемент привода нагружения с импульсным периодическим законом нагружения, выполненный в виде пневматического разгонно-тормозного устройства. При этом выход тензометрического датчика подключен к измерительному входу блока управления, выполненного на основе микроконтроллера и снабженного модулем индикации и кнопочной клавиатурой, силовой выход которого подключен к приводу нагружения.
Положительным техническим результатом, обеспечиваемым раскрытыми выше признаками способа и устройства для его осуществления, является возможность реализация динамического нагружения испытываемой пружины с крутым передним фронтом, возможность управления амплитудой испытаний, управления законом изменения скорости перемещения подвижной части устройства и увеличения частоты испытаний для получения результатов испытаний в приемлемый срок с заданной точностью.
Группа изобретений поясняется чертежом, где на фигуре изображен эскиз устройства для осуществления способа динамических испытаний винтовых пружин сжатия.
Устройство, с помощью которого осуществляют способ динамических испытаний винтовых пружин сжатия, имеет следующую конструкцию.
2
Его основой является направляющая втулка 1, закрепленная в удерживающем приспособлении 2 испытательного оборудования, направляющий стержень 3, с надетой испытываемой пружиной 4, установленный в осевом отверстии 5 направляющей втулки 1. Отличает устройство от известных аналогов то, что в осевом отверстии 5 со стороны установки направляющего стержня 3 выполнено углубление 6, высотой L равной рабочей высоте пружины 4, на опорной поверхности которого закреплен тензометрический датчик 7. Устройство дополнительно содержит ударный элемент 8 привода нагружения 9 с импульсным периодическим законом нагружения, выполненный в виде пневматического разгонно-тормозного устройства. При этом выход тензометрического датчика 7 подключен к измерительному входу 10 блока управления 11, выполненного на основе микроконтроллера и снабженного модулем индикации 12 и кнопочной клавиатурой 13, силовой выход 14 которого подключен к приводу нагружения 9. В качестве микроконтроллера может быть использована любая известная микросхема, например восьмиразрядный микроконтроллер серии AVR ATMega, снабженный восьмиканальным десятиразрядный аналого-цифровым преобразователем. Измерительный вход блока управления может быть построен на основе операционного усилителя, силовой выход может быть реализован на основе транзисторных или тиристорных ключей, а модуль индикации может представлять собой текстовый LCD-индикатор.
Способ с помощью устройства осуществляют следующим образом.
1
Испытываемая пружина 4 одевается на направляющий стержень 3, который устанавливается в отверстие 5 направляющей втулки 1. Направляющая втулка закрепляется в удерживающем приспособлении 2 испытательного оборудования, в качестве которого может быть использован, например, трехкулачковый патрон токарного станка. Привод нагружения 9 закрепляется соосно направляющей втулке 1 в удерживающем приспособлении испытательного оборудования, например в резцедержателе токарного станка, с использованием державки. Ударным элементом 8 привода нагружения 9 направляющий стержень 3 поджимается в размер L, соответствующий высоте предварительного поджатая испытываемой пружины, при этом пружина упирается в опорную поверхность углубления 6. Далее выход тензометрического датчика 7 подключают к измерительному входу 10 блока управления 11, а его силовой выход подключают к приводу нагружения 9, после чего подавая команды блоку управления с помощью клавиатуры 13, начинают испытание.
При подаче управляющих сигналов на привод нагружения 9, посредством силового выхода 14 на основе управляющей программы микроконтроллера, ударный элемент 8 импульсно воздействует на направляющий стержень 3. Последний за счет сил инерции сжимает испытываемую пружину 4 до ударного взаимодействия поверхностей направляющего стержня 3 и втулки 1 или до его остановки вследствие исчерпания кинетической энергии. Затем направляющий стержень 3 под действием сжатой испытываемой пружины 4 возвращается в исходное положение. Испытание повторяют предварительно заданное с помощью клавиатуры число раз, при этом блок управления 11 проводит постоянный опрос тензометрического датчика 7 и сохраняет полученные данные в энергонезависимой памяти для их дальнейшей обработки с целью анализа эффективности упрочнения пружин, в зависимости от силы и частоты прикладываемой нагрузки.
Ниже приведен пример осуществления способа.
Предлагаемый способ осуществлялся при испытаниях возвратной пружины со следующими характеристиками:
- диаметр проволоки - 1.1 мм;
- наружный диаметр пружины - 11.2 мм;
- длина пружины в свободном состоянии - 128 мм;
- сила пружины при предварительной деформации - 36 Н;
- длина пружины при предварительной деформации - 71 мм;
- сила пружины при рабочей деформации - 65 Н;
- длина пружины при рабочей деформации - 29 мм;
В качестве испытательного оборудования применялся токарный станок ФТ-11. В качестве привода нагружения использован перфоратор с частотой нагружения 3000 уд/мин и передаваемым импульсом от 1 до 4 Дж. Масса направляющего стержня составляла 0,03 кг.
В результате испытаний были получены следующие скорости перемещения:
- 0,030 кг/Дж - ускорение до 7 м/с, амплитуда менее рабочего хода;
- 0,080 кг/Дж - ускорение до 7 м/с, амплитуда соответствует рабочему ходу, ударное взаимодействие направляющего стержня и направляющей втулки;
- 0,320 кг/Дж - ускорение до 2.5 м/с, амплитуда менее рабочего хода.
Таким образом, при различных сочетаниях параметров испытания, а именно передаваемого ударным элементом импульса, силовых и геометрических параметров пружины, массы направляющего стержня и геометрии направляющей втулки, могут быть имитированы различные режимы ударных взаимодействий поверхностей направляющего стержня, направляющей втулки и боковых поверхностей витков испытываемой пружины. Рассмотренное в настоящей заявке техническое решение может применяться как при производстве цилиндрических пружин сжатия, так и в научных исследованиях, а именно при проведении управляемых экспериментов для поиска наиболее эффективных параметров технологических процессов упрочнения пружин.