УСТАНОВКА ДЛЯ ИСПЫТАНИЯ ОБРАЗЦОВ НА УСТАЛОСТЬ
FATIGUE TEST UNIT FOR SAMPLES

Изобретение относится к испытательной технике, а именно к установкам для испытания на усталость материалов.
Известные методы испытаний образцов материалов наиболее полно изложены в фундаментальных монографиях [1].
Применение того или иного метода определяется целью исследования образцов [2, 3].
Известно устройство для испытаний на усталость [4]. Устройство содержит зажим, приспособление для крепления зажима снабжено резонансным элементом, закрепленным на корпусе приспособления, с установленным на нем с возможностью перемещения грузом. Элементы зажима выполнены в виде однозубого захвата и двух профильных ложементов, расположенных противоположно друг другу. В данном устройстве реализуют синфазные колебания испытуемого образца с резонансным колебанием, расположенным соосно испытуемой детали.
Недостатком известного устройства являются динамические погрешности измерения изгибающего момента, действующего в корневой части испытуемого образца в зависимости от частоты нагружения.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является установка для испытаний на усталость [2, с. 183], выбранная в качестве прототипа.
Установка снабжена электромагнитным возбуждением колебаний. В зажиме на массивной станине укреплена балка с грузом на свободном конце. В грузе смонтирован захват для зажима испытуемого образца и якорь электромагнитного возбудителя. Изменяя вылет балки и массу груза можно устанавливать необходимую частоту колебаний этой системы.
Недостатками такой установки являются сложность балансировки амплитуд в автоколебательной системе и осуществление только симметричного цикла нагружения.
Техническая проблема, решаемая предлагаемым изобретением, создание установки для испытаний материалов на усталость, обеспечивающей испытания при консольном изгибе в одной плоскости по «мягкой» схеме нагружения.
Мягкое нагружение - возбуждение динамических нагрузок, при котором заданной величиной является нагрузка, практически постоянная на всем протяжении испытания. В этом случае перемещение кинематически не ограничено и может изменяться в зависимости от изменения жесткости нагружаемой системы в период нарастания усталостных повреждений и постепенного развития усталостной трещины.
Технический результат от использования изобретения заключается в повышении точности оценки упругой составляющей свойств исследуемых материалов образцов при усталостных испытаниях.
Указанный технический результат достигается тем, что установка для испытаний материалов на усталость, содержащая станину для крепления испытываемого образца и электромагнитного возбудителя, блок питания и автоматики, средства измерения параметров колебательного процесса и наблюдения за формой колебаний, снабжена датчиком виброукорения, соединенным с блоком питания и автоматики, который в свою очередь подключен к катушке электромагнитного возбудителя, выполненного на П-образном витом ленточном сердечнике, при этом один конец сердечника жестко закреплен в станине, и на нем расположена катушка, соединенная с блоком питания и автоматики, а другой конец сердечника обрезан под ярмо, с возможностью крепления к образцу и служит якорем.
В установке предусмотрены следующие средства измерения: измерение частоты; счет числа циклов нагружения; измерение амплитуды колебаний оптическим методом; измерение амплитуды колебаний фотоэлектрическим методом; измерение амплитуды колебаний методом с помощью пьезоэлектрического датчика виброускорения; измерение среднего значения тока в катушке возбудителя; наблюдение за колебательным процессом с помощью осциллографа.
Изобретение иллюстрируется следующими фигурами, на которых изображены:
Фиг. 1 - конструктивная схема установки;
Фиг. 2 - график зависимости изменения тока во времени;
Фиг. 3 - график зависимости электромагнитной силы и силы упругости во времени;
Фиг. 4 - график смещения образца в зависимости от протекания тока и его прерывании от времени в процессе работы установки.
Установка содержит три основные части, расположенные раздельно: станину 1, предназначенную для крепления испытываемого образца 2 и электромагнитного возбудителя 3; блок питания и автоматики 4, предназначенный для питания катушки 5 электромагнитного возбудителя 3 током необходимой величины и частоты; средство измерения параметров колебательного процесса и наблюдения за формой колебаний 6.
Станина 1 представляет собой массивный Г-образный металлический блок, который устанавливается на столе через виброизоляторы. В станину 1 жестко крепится одним концом образец 2. На другом конце образца 2 крепится ферромагнитный якорь 7 электромагнитного возбудителя 3. Статор 8 возбудителя 3 жестко крепится в станине 1 через виброизоляторы в виде виброизоляционных прокладкок 9. На станине 1 установлен пьезоэлектрический датчик виброукорения 10, (регистрирующий колебания образца 2), который соединен с блоком питания и автоматики 4, который в свою очередь подключен к катушке 5 электромагнитного возбудителя 3. Электромагнитный возбудитель 3 выполнен на П-образном витом ленточном сердечнике 11. Один конец этого сердечника жестко закрепляется в станине 1, служит статором 8 и на ней располагается катушка 5. Другой конец сердечника обрезан под ярмо, крепится к образцу 2 и служит якорем 7. Установка работает следующим образом:
Станина 1 воспринимает колебания образца 2 и передает их пьезоэлектрическому датчику виброускорения 10. Сигнал с датчика 10 поступает в блок питания и автоматики 4, который в свою очередь питает катушку 5 электромагнитного возбудителя 3. Для исключения наложения волн колебательной энергии и повышения точности их передачи станина 1 и катушка 5 собранная совместно со статором 8 одного конца сердечника 11 электромагнитного возбудителя 3 разделены виброизоляторами в виде виброизоляционных прокладкок 9.
Катушка 5 электромагнитного возбудителя 3 питается пульсирующим током от блока питания (Фиг. 2).
При протекании тока возникает электромагнитная сила, под действием которой якорь 7 с образцом 2 движется вниз (Фиг. 3). При прерывании тока образец 2 под действием силы упругости (Фиг. 3) стремится вернуться в исходное положение (Фиг. 4). Таки м образом осуществляется циклическое нагружение в представленной установке, а полный цикл перемещения нагруженного конца образца в процессе работы демонстрируется (Фиг. 4).
Контроль параметров колебательного процесса при циклическом нагружении образца и наблюдения за формой колебаний осуществляются с помощью средств измерения 6.
По результатам многократно повторяющихся циклов определяют параметры многоцикловой усталости и амплитудно-частотные характеристики для оценки частотных свойств, которые зависят от роли упругой составляющей исследуемого материала при циклическом нагружении, а также определяют предел выносливости.
Таким образом осуществляется цикл нагружения-разгрузки образца при испытании по «мягкой» схеме плоского консольного изгиба реализуемого данной установкой.
Предлагаемая установка для испытаний материалов на усталость может быть изготовлена, например, из выпускаемых или готовых деталей. Например, электромагнитный возбудитель 3 изготавливается из П-образного витого ленточного сердечника ГОСТ 22050-76 с применением медного провода ПЭВ диаметром 1,2 мм ГОСТ 7262-78; виброизоляторы тип ДО-38; виброизоляционные прокладки ВЭП ТУ 22.19.20-002-04941811-2017; пьезоэлектрический датчик виброускорения 10 типа ПАМТ-16К.
Станина 1 изготавливается литьем из чугуна, с целью обеспечения высокой жесткости установки. Катушка 5 возбудителя 3 намотана проводом ПЭВ диаметром 1,2 мм ГОСТ 7262-78, разбита на две половины по 90 витков, расположенных на разных стержнях П-образного сердечника. Катушки соединены последовательно и согласованно.
Пьезоэлектрический датчик виброускорения 10 типа ПАМТ-16К приклеен к станине 1 на некотором расстоянии от статора возбудителя 8. Блок питания типа NLS-3024. В качестве средств измерения 6 могут быть использованы: универсальный счетчик импульсов Овен СИ8 для счета циклов и частот нагружения (Фиг. 3); цифровой вольтметр типа В7-17 и осциллограф группы С1 для наблюдения за колебательным процессом и регистрации величины и формы сигнала пьезоэлектрического датчика (Фиг. 2); мультиметр Овен ИМС-Ф1 для измерения тока; для измерения амплитуды колебаний (фиг. 4) оптическим, фотоэлектрическим и косвенным методами используются: бесконтактный индуктивный датчик KIPPRIBOR, серии LA; бесконтактный оптический датчики ВБЗ; датчик виброскорости с токовым выходом типа ДВСТ.
Таким образом, предлагаемая установка для испытаний материалов на усталость по сравнению с прототипом позволяет повысить точность оценки упругой составляющей свойств исследуемых материалов образцов при усталостных испытаниях за счет того, что в процессе испытаний разгрузка образца происходит за счет сил упругости, а нагружение электромагнитным блоком. Высокая точность достигается за счет согласованного распределения электромагнитной силы и силы упругости и соответствующее им смещение образца в зависимости от протекания тока и его прерывании во времени в процессе работы установки. В целом, установка для испытания образцов на усталость отличается простотой конструкции - в ней использованы типовые тестированные детали и узлы, технологична и удобна в использовании.
Литература.
1. Школьник Л.М. Методика усталостных испытаний. Справочник. М.: Металлургия, 1978. - 304 с.
2. Испытательная техника: Справочник. В 2-х кн. / Под ред. В.В. Клюева. - М.: Машиностроение. 1982. Кн. 1.-528 с.
3. Методы механических испытаний металлов. Методы испытаний на усталость ГОСТ 25.502-79.
4. Авторское свидетельство SU 1838773 A3 G01N 3/04, 30.08.1993.