УСТАНОВКА ДЛЯ ИСПЫТАНИЯ МАТЕРИАЛОВ НА ПРОЧНОСТЬ ПРИ КРИОГЕННЫХ ТЕМПЕРАТУРАХ

Установка для испытания материалов на прочность при криогенных температурах.
Полезная модель относится к области механических испытаний материалов при криогенных температурах до 20 K.
Известна «Установка для испытания материалов на трубчатых образцах при низких температурах» (см. описание изобретения к авторскому свидетельству СССР №300806, МПК G01n 3/18, Б.и. №13, 1971 г.). В этом описании указано, что предложенная установка отличается от известных тем, что она снабжена устройством для выравнивания температуры по длине образца, а также тем, что это устройство выполнено в виде упругих металлических пластин, закрепленных в трубке-корпусе охладителя и контактирующих своими свободными концами с внутренней поверхностью образца его рабочей части. Такое выполнение установки позволяет повысить точность результатов испытаний.
Упомянутая выше установка для испытания материалов на трубчатых образцах при низких температурах содержит вакуумную камеру, захваты, устройство для подачи внутрь образца рабочей среды под давлением с трубопроводом, устройство для подачи в образец хладоагента с трубопроводом, охладитель в виде трубки-корпуса, коаксиально закрепленного внутри образца, устройство для выравнивания температуры по длине образца, выполненное в виде упругих металлических пластин, закрепленных на трубке-корпусе охладителя и контактирующих своими свободными концами с внутренней поверхностью образца, датчики и измерительные приборы.
Образец устанавливают в захваты, связанные через тяги с прессом, и размещают в вакуумной камере. Вакуумной установкой в камере создают глубокий вакуум. По трубопроводам в образец подают хладагент и под необходимым давлением рабочую среду. С помощью датчиков со свободной наружной поверхности снимают осевые и тангенциальные деформации, которые регистрируются измерительными приборами. Для выравнивания температуры по длине образца к трубке-корпусу охладителя припаяны упругие металлические пластины, имеющие скользящий контакт с внутренней поверхностью образца и обеспечивающие дополнительный отвод тепла. Количество отводимого тепла регулируется количеством упругих пластин, и тем самым обеспечивается минимальный градиент температуры по длине рабочей зоны образца.
Совпадающими признаками этой установки и предлагаемого изобретения являются следующие. Установка для испытания материалов содержит вакуумную камеру, захваты для размещения объекта испытаний, устройство для выравнивания температуры по длине образца, выполненное в виде гибких металлических элементов, которые в рабочем состоянии контактируют с объектом испытаний.
Недостатки этой установки заключаются в следующем. Эта установка предназначена для испытания только трубчатых образцов.
Известна «Установка для механических испытаний образцов материалов при низких температурах» (см. описание изобретения к авторскому свидетельству СССР №1185176, МПК G01N 3/18, Б.и. №38, 1985 г.).
Установка содержит вакуумную камеру с расположенными в ней охлаждаемыми захватами для крепления образца, емкость для хладагента, патрубки для подачи хладагента из емкости в вакуумную камеру и вывода хладагента из нее соответственно, трубопровод, выполненный из частей для подвода хладагента к захвату и его отвода от другого захвата соответственно и части, которая соединяет между собой захваты. Одни части трубопровода имеют форму спиралей, а другая часть - форму змеевика для обеспечения возможности свободного перемещения захватов, эти части выполнены из материала с малой жесткостью. Установка снабжена регулятором напряжения, подаваемого на нагреватель, навитый на конец патрубка, погруженного в емкость с хладагентом. Охлаждаемые захваты выполнены из теплопроводного материала и имеют каналы для прохождения хладагента.
Установка работает следующим образом. Образец закрепляют в захватах, из вакуумной камеры откачивают воздух, подают напряжение на нагреватель, давление в емкости повышается и хладагент через патрубок и часть трубопровода подается к одному из захватов, проходит по его каналам, затем проходит через другую часть трубопровода к другому захвату, проходит по его каналам и через третью часть трубопровода и патрубок выводится из камеры. Посредством эффективного отвода тепла от образца через охлаждаемые захваты температура образца может быть понижена вплоть до температуры хладагента. После охлаждения образца до заданной температуры к нему через захваты прикладывают усилие от испытательной машины и проводят испытание. При этом части трубопровода упруго деформируются и не препятствуют нагружению образца и наблюдению за ним. Скорость охлаждения образца определяется расходом хладагента и может изменяться с помощью регулятора напряжения, подаваемого на нагреватель.
Совпадающими признаками этой установки и предлагаемой полезной модели являются следующие. Установка для испытания материалов содержит вакуумную камеру, захваты для размещения объекта испытаний, устройство для охлаждения образца (подвода холода к объекту испытаний), выполненное в виде гибких металлических элементов, которые контактируют с объектом испытаний.
Недостатки этой установки заключаются в следующем. Эта установка сделана так, что охлаждение объекта испытания происходит за счет прокачки по трубопроводам и каналам в захватных частях хладагента в газообразном состоянии. Это требует использования специальных захватов со специальной системой каналов для прохода газообразного хладагента. Также требуется система для сбора хладагента, прошедшего по каналам захватных частей и частям трубопроводов.
2
Известна «Машина для испытания материалов на прочность при низких температурах» (см. описание изобретения к авторскому свидетельству СССР №510665, М.Кл. G01N 3/18, Б.и. №14, 1976 г.), эта машина принята в качестве прототипа. Эта машина изображена на фиг.1. Фиг.1 - это копия рисунка из упомянутого выше описания изобретения с некоторыми изменениями. (В частности, не указаны номера позиций.) Машина содержит нагружающее устройство (на фиг.1 не показано), измерительное устройство, герметичную камеру с расположенными в ней захватами для крепления образца, полые тяги, связанные с нагружающим устройством, тяги, связанные с измерительным устройством, наборы сетчатых дисков, емкость для хладагента, трубопроводы для сброса паров хладагента, гибкие хладопроводы и уплотнительный сильфон.
Машина работает следующим образом. Емкость для хладагента наполняется хладагентом. Из герметичной камеры откачивается воздух. Холод, поступающий через гибкие хладопроводы и захваты, охлаждает образец.
Пары хладагента, собирающиеся в верхней части емкости для хладагента, по трубопроводам поступают в полые тяги, проходят через набор сетчатых дисков, жестко присоединенных к тягам, и охлаждают их, компенсируя теплоприток по тягам к образцу. После охлаждения образца до требуемой температуры он нагружается через тягу, уплотненную сильфоном. В процессе испытания другая тяга неподвижна и связана с измерительным устройством.
Совпадающими признаками этой машины и предлагаемой полезной модели являются следующие. Машина для испытания материалов содержит герметичную рабочую камеру, захваты для размещения объекта испытаний, устройство для охлаждения образца, выполненное в виде гибких хладопроводов, которые соединяют источник холода и элементы, контактирующие с объектом испытаний.
Недостатки этой установки заключаются в следующем. Эта установка использует газообразный хладоагент для дополнительного охлаждения образца, а это требует размещения дополнительных трубопроводов в рабочей камере.
Задача полезной модели заключается в следующем. Разработать установку для испытания материалов при криогенных температурах, в которой, с целью расширения диапазона испытательной температуры и сокращения времени охлаждения, используется источник холода, герметично прикрепленный к рабочей камере, который работает автономно на основе замкнутого цикла расширения гелия.
Задача решается следующим образом. Каждый из гибких хладопроводов, передающих холод от источника холода к образцу и захватам, закреплен в отдельной зоне источника холода. Причем рабочая поверхность источника холода одновременно выполняет роль части стенки внутренней полости рабочей камеры, а эта рабочая поверхность источника холода имеет несколько резьбовых гнезд для крепления с помощью болтов концевых частей хладопроводов и проводников, идущих от датчиков, размещенных внутри рабочей камеры. При этом используется два сильфона, каждый из которых предназначен для обеспечения герметизации рабочей камеры при движении соответствующего захвата. Эта установка обеспечивает охлаждение образца до нужной температуры (около 20 К) и испытание материала. Может использоваться один сильфон, но для повышения надежности работы установки следует использовать два сильфона.
Сущность полезной модели заключается в том, что источник холода выполнен теплоизолированным и находится вне рабочей камеры, а в рабочей камере расположена его торцевая поверхность, выполняющая роль теплообменника, на которой закреплены гибкие хладопроводы. При этом рабочая камера имеет двойную стенку, предназначенную для заполнения жидким азотом, причем непосредственно в полости рабочей камеры нет емкостей и трубопроводов, содержащих жидкий или газообразный хладагент. С целью расширения диапазона испытательной температуры и сокращения времени охлаждения используется источник холода, герметично прикрепленный к рабочей камере, который работает автономно на основе замкнутого цикла расширения гелия, а каждый из гибких хладопроводов, передающих холод от источника холода к образцу и захватам, закреплен в отдельной зоне источника холода. Причем рабочая поверхность источника холода одновременно выполняет роль части стенки внутренней полости рабочей камеры, а эта рабочая поверхность источника холода имеет несколько резьбовых гнезд для крепления с помощью болтов концевых частей хладопроводов и проводников, идущих от датчиков, размещенных внутри рабочей камеры. При этом используется два сильфона, каждый из которых предназначен для обеспечения герметизации рабочей камеры при движении соответствующего захвата. Хладопроводы могут крепиться к поверхности источника холода не обязательно с помощью болтов (винтов), но и другими способами.
2
Па фиг.1 показана известная «Машина для испытаний материалов на прочность при низких температурах». Фиг.1 - это копия (с некоторыми изменениями, в частности, не указаны номера позиций) рисунка из описания изобретения «Машина для испытания материалов на прочность при низких температурах» (см. описание изобретения к авторскому свидетельству СССР №510665, М.Кл. G01N 3/18, Б.и. №14, 1976 г.).
На фиг.2 показан общий вид заявляемой «Установки для испытания материалов на прочность при криогенных температурах» (показан разрез, чтобы нагляднее было видно схему установки испытуемого образца и схему расстановки хладопроводов, соединяющих источник холода с образцом и с захватами для крепления образца).
На фиг.3 показан фрагмент фиг.2.
На фиг.4 показана заявляемая «Установки для испытания материалов на прочность при криогенных температурах» со снятой съемной крышкой (по отношению к изображенному на фиг.2 и 3 фиг.4 - это вид слева).
На фигурах обозначены следующие элементы.
1 - установочный кронштейн.
2 и 3 - тяги испытательной машины (сама испытательная машина, ее нагружающее и измерительное устройства на фиг. не показаны).
4 - испытуемый образец.
5 и 6 - сильфоны, обеспечивающие герметичность рабочей камеры и необходимую подвижность захватов, в которых закреплен испытуемый образец 4.
7 - съемная крышка испытательной установки.
8 - герметичная рабочая камера.
9 - полость в стенке съемной крышки, предназначенная для заливки жидкого азота.
10 - полость в стенке корпуса рабочей камеры, предназначенная для заливки жидкого азота.
11 - стенка рабочей камеры, выполненная из теплоизоляционного материала.
12 - патрубок вакуумирования рабочей камеры.
13 - патрубок для подачи жидкого азота в полость в стенке съемной крышки.
14 - патрубок для подачи жидкого азота в полость в стенке корпуса рабочей камеры. (Соответствующие патрубки, предназначенные для выхода воздуха из полости в стенке съемной крышки и из полости в стенке корпуса рабочей камеры при заливке жидкого азота на фиг. не показаны.)
15 - холодильная головка, она имеет теплоизолированные стенки, а ее торцевая часть (см. позицию 23 на фиг.3 и 4) выполняет роль источника холода (теплообменника). К этой торцевой части крепятся хладопроводы.
16 - разъем вывода электрокабелей.
17 и 18 - хладопроводы, подсоединенные к захватам образца.
19 и 20 - хладопроводы, подсоединенные к образцу.
21 - датчик температуры образца.
22 - датчик температуры торцевой части источника холода.
23 - торцевая часть холодильной головки (источника холода).
24, 25, 26, 27 - места крепления хладопроводов (крепление хладопроводов к торцевой части источника холода может осуществляться путем вскручивания болтов (винтов) в углубления с резьбой; на фиг.4 показаны числами не все места крепления хладопроводов).
Аппаратура испытательной установки проводит запись (синхронно во времени) величины прилагаемого усилия и величины перемещения захватов.
(Эта аппаратура на фиг. не показана.) При необходимости на образец крепится датчик, замеряющий деформацию образца, показания которого записываются также синхронно во времени, а также проводится запись показаний датчиков температуры.
Установка работает следующим образом. В исходном состоянии установка размещена в рабочей зоне испытательной машины, предназначенной для растяжения образцов до разрушения. Захваты для закрепления образца подсоединены к захватам испытательной установки. Подсоединены патрубки к соответствующим магистралям для вакуумирования герметичной рабочей камеры и для подачи жидкого азота. К разъему вывода электрокабелей подсоединена аппаратура для регистрации замеряемых параметров (например, температуры на поверхности источника холода и на поверхности испытуемого образца).
Снимается съемная крышка 7 камеры. В захваты установки закрепляется образец 4. К рабочей части образца и к захватам прикрепляются гибкие проводники холода (хладопроводы) 17-20, закрепленные на торцевой поверхности источника холода 23. Для удобства на рабочей (торцевой) поверхности источника холода 23 сделаны резьбовые гнезда 24-27, к которым с помощью болтов прикрепляются хладопроводы (их обычно изготавливают из меди (гибкий медный провод)). К поверхности образца и к захватам хладопроводы могут прикрепляться, например, с помощью металлических хомутов. Устанавливаются датчики температуры. Например, один датчик 22 для регистрации температуры на поверхности источника холода, один датчик 21 для регистрации температуры на поверхности образца (в рабочей части). Съемная крышка 7 камеры устанавливается на свое рабочее место и присоединяется к корпусу рабочей камеры с помощью болтов. Затяжка болтов обеспечивает герметичное соединение крышки к корпусу рабочей камеры.
-3
Включается установка и рабочая камера вакуумируется до давления около 10 мбар (≈0,1 Па).
В патрубки 13 и 14, предназначенные для подачи жидкого азота, подается жидкий азот. Жидкий азот предназначен для обеспечения лучшей теплоизоляции рабочей камеры. Но предварительные испытания показали, что и без жидкого азота удается охладить образец до нужной температуры за приемлемый интервал времени.
Включается установка источника холода. Регистрируется температура на рабочей поверхности источника холода и на рабочей поверхности образца.
При достижении нужного значения температуры на рабочей поверхности образца включается испытательная установка для разрыва образца. Наличие сильфонов 5 и 6 у каждого захвата обеспечивает герметичность, в том числе, и при динамических явлениях, которыми обычно сопровождается процесс разрушения образца.
Если температура образца имеет значение, которое ниже требуемой величины, то включается подогреватель и температура на торцевой поверхности источника холода плавно повышается до требуемой величины. При достижении нужного значения температуры на рабочей поверхности образца включается испытательная установка для разрыва образца.
Аппаратура испытательной установки проводит запись (синхронно во времени) величины прилагаемого усилия и величины перемещения захвата. (Эта аппаратура на фиг. не показана.) При необходимости на образец крепится датчик, замеряющий деформацию образца, показания которого записываются также синхронно во времени, а также проводится запись показаний датчиков температуры.
Как указано выше, источником холода является холодильная головка, ее торцевая поверхность выполняет роль теплообменника - к ней крепятся хладопроводы. А боковая поверхность холодильной головки выполнена теплоизолированной. Рабочая камера 8 имеет двойную стенку, образующую замкнутую полость, причем часть этой полости (см. часть полости 10, расположенную около холодильной головки 15) охватывает часть боковой поверхности холодильной головки 15 (см. фиг.2).