НАГРУЗОЧНОЕ УСТРОЙСТВО
LOADING DEVICE

Изобретение относится к механическим нагрузочным устройствам и может быть использовано для нагружения поверхностей образцов чистым изгибом и определения полей деформаций и напряжений в экспериментальных исследованиях лабораторных макетов и натурных объектов.
Цель изобретения - нагружение образца чистым изгибом с одновременным измерением перемещений при деформации его поверхности в точке нагружения в виде прогиба.
Область применения нагрузочного устройства - прикладные научно-исследовательские работы в исследовании напряженно-деформированного (термонапряженного) состояния изделий различного назначения, железобетонных строительных конструкций в модельных экспериментах, а также при статических испытаниях в машиностроении, металлургическом производстве, атомной технике, строительстве и пр.
Развитие современного машиностроения, строительства различных объектов тесно связано с решением задач прочности и надежности. Важнейшим этапом в решении этих задач при проектировании является определение деформаций, напряжений и перемещений в элементах конструкций, воспринимающих нагрузки.
Определение уровня напряжений в подобных системах требует применения экспериментальных и численных методов с использованием критериев подобия и математических аналогий. Высокая эффективность современных численных методов теории упругости и пластичности, использующих ЭВМ, не устраняет необходимость применять экспериментальные методы как при решении отдельных задач, так и для получения исходных данных, некоторых зависимостей с целью обоснования и проверки методов расчета на прочность и жесткость деталей и конструкций [1]. К таким методам относится моделирование полей деформаций и напряжений. Требованием такого эксперимента является соблюдение условий подобия натуры и модели при деформациях в пределах пропорциональности. К основным признакам этих условий относятся: геометрическое подобие, физическое подобие, силовое подобие, условия подобия контакта деталей. Для выполнения силового подобия исследуемую модель нагружают эквивалентными механическими нагрузками с помощью нагрузочных устройств.
Нагрузочные устройства применяют для нагружения моделей с целью исследования возникающих при нагружении полей деформаций и напряжений. Нагрузочные устройства для моделей бывают универсальными или специализированными.
Измерение деформаций, перемещений или их оценка осуществляется в зависимости от выбранного метода исследования. К этим методам относятся: тензометрический, поляризационно-оптический, спекл-интерферометрия, метод муаровых полос и сеток. Перечисленные методы исследования характеризуются разными способами определения деформаций, перемещений и напряжений.
В любом из этих способов нагрузочные устройства выполняют только функцию нагружения. Измерения и оценка деформаций, перемещений и напряжений осуществляется на моделях либо с помощью тензометрических датчиков, либо оценкой сравнения растровых (муаровых) картин, картин полос интерференции до и после нагружения моделей.
Во многих случаях модельного эксперимента при нагружении моделей чистым изгибом необходимо осуществлять одновременное нагружение и измерение прогиба поверхности моделей, возникающего при силовом воздействии. Данное условие является обязательным, так как оно соответствует выполнению действия закона Гука [2], когда в пределах пропорциональности нагрузки, приложенные на упругий элемент, прямо пропорциональны возникающим деформациям. При снятии нагрузок все деформации исчезают, и упругий элемент принимает первоначальные размеры и форму.
Известные нагрузочные устройства поверхностей тензометрических моделей не имеют механизмов одновременного нагружения и измерения деформаций. В тензометрических моделях и образцах измерение деформаций осуществляется тензометрическими датчиками (тензорезисторами), наклеенными на поверхность, за счет функции преобразования зависимости выходного сигнала тензорезистора от деформации при фиксированных значениях влияющих величин. Прогиб упругого элемента таким способом измерить нельзя.
Известны конструкции нагрузочных устройств, такие как приспособления для приложения растягивающей силы, нагрузочные рамы [1]. В них имеются: 1) элементы, с помощью которых прилагаются нагрузки (захваты, подкладки, упоры, устройства для приложения сплошной нагрузки); 2) нагружающие элементы (гири, пружины, тяги, винтовые домкраты, пневматические и гидравлические устройства); силовые передачи; 3) станины; 4) узлы измерения силовых нагрузок. Механизмы измерения деформаций и перемещений в них отсутствуют.
Известно приспособление для измерения прогиба бруса, описанное в литературе [3], состоящее из флаксиметра, зажимного винта, индикатора, опоры, штыря индикатора. Измерение прогиба осуществляется при перемещении приспособления по поверхности образца в направлении его продольной оси. Данное приспособление не может быть использовано в процессе нагружения чистым изгибом по следующим причинам:
1) данное приспособление не имеет возможности осуществлять нагружение модели, так как штырь индикатора является измерительным щупом и не осуществляет передачу силового воздействия в точке измерения прогиба,
2) данное приспособление не может быть использовано для измерения прогиба при нагружении модели сосредоточенной силой, так как используемый флаксиметр имеет контактную площадку по длине l, следовательно, все приложенные нагрузки в зоне контактной площадки считаются распределенными.
Указанные недостатки устранены в заявленном нагрузочном устройстве тем, что в механизме нагружения устройства имеется узел измерения прогиба при силовом воздействии. Конструкция устройства и принцип работы поясняются эскизами фиг.1÷4.
Нагрузочное устройство (фиг.1) содержит плиту опорную 1, стойку 2 (2 шт.), направляющую 3 (2 шт.), муфту стяжную 4 (2 шт.), планку 5, платформу нагружения 6, индикатор 7, стойку индикаторную 8, щуп измерительный 9. Плита 1 является опорной плитой, на нее устанавливают испытываемый объект (чаще всего - пластину). В плите имеются резьбовые отверстия, в которые вставлены стойки 2. Они соединены с направляющими 3 посредством стяжной муфты 4. На направляющие 3 монтируется планка 5 с платформой нагружения 6 таким образом, чтобы толкатель 11 груза (фиг.2) грузовой платформы соприкасался в точке нагружения поверхности испытываемого объекта. Это достигается регулировкой положения стяжной муфты посредством ее вращения, позволяющей либо стягивать стойку и направляющую, либо удалять их друг от друга. Для обеспечения точной регулировки на стойке, направляющей и в муфте нарезана резьба с мелким шагом. В планке 5 имеется гнездо, в которое установлена стойка индикаторная 8 с индикатором 7. Наконечник индикатора соприкасается с торцевой поверхностью измерительного щупа 9. Индикатор 7 относится к многооборотным индикаторам и может быть применен как с ценой деления 0,001, так и 0,02 мм. Тип индикатора и его характеристики представлены в таблице 1. Измерительный щуп 9 имеет ступенчатую стержневую конструкцию. В его нижней части имеется цилиндр малого внешнего диаметра (ходовая часть) для обеспечения свободного вертикального хода, переходящий в острый конус, называемый наконечником, соприкасающийся с поверхностью исследуемого объекта в точке измерения прогиба. Для обеспечения прочности и жесткости щупа малый внешний диаметр переходит в диаметр большего размера, торцевая поверхность которого является измерительной базой для наконечника индикатора.
Таблица 1.
Индикаторы многооборотные ГОСТ 9696-82
Тип
Цена деления, мм
Диапазон измерений, мм
1 МИГ
0,001
1,0
1 МИГП
2 МИГ
0,002
2,0
2 МИГП
Отдельно на фиг.2. показана конструкция платформы нагружения 6. Она состоит из втулки 10, толкателя груза 11, пружины сжатия 12, замка транспортировочного 13, винта 14. Втулка 10 представляет собой полый цилиндр, имеющий дно, в котором выполнено отверстие для свободного хода толкателя груза 11. Втулка имеет «буртик», посредством которого она опирается на верхнюю поверхность планки 5. Во втулке устанавливается толкатель груза 11, подпружиненный пружиной сжатия 12. Пружина удерживает толкатель груза в вертикальном положении и не позволяет ему перемещаться вдоль оси при отсутствии груза, осуществляя балансировку вертикального положения. Она сжимается при установке мерного груза 15 (фиг.2б), дает возможность плавно опускаться толкателю груза вниз и осуществляет возврат толкателя груза в исходное положение при снятии груза. Толкатель груза имеет конструкцию стержня. В нем предусмотрено ступенчатое внутреннее отверстие для свободного хода измерительного щупа 9. На нижнем конце толкателя груза выполнена сферическая пята, которая при силовом воздействии уменьшает площадку контакта на поверхности исследуемого объекта. Таким образом, обеспечивается нагружение объекта сосредоточенной силой. Верхняя торцевая поверхность толкателя груза выполняется большим внешним диаметром и является площадкой для установки груза. Такое увеличение внешнего диаметра верхней части толкателя позволяет получить «уступ», который является опорной поверхностью для пружины 12. Конструкция платформы предусматривает наличие транспортировочного замка 13, который устанавливается на верхней торцевой поверхности втулки посредством винта 14. Замок служит для обеспечения целостности конструкции при съеме и установке платформы, может свободно вращаться вокруг оси крепежного винта и не снимается в процессе нагружения объекта. Следует отметить некоторые особенности предложенной конструкции платформы.
1. Зазор между внешним диаметром ходовой части толкателя груза и диаметром отверстия дна втулки должен быть минимальным, но при этом обеспечивать посадку скольжения, что достигается выполнением предельных отклонений размеров внешнего диаметра ходовой части толкателя с квалитетом точности - 6, полем допуска - 6f, отверстия - 7Н. Таким образом, перекос толкателя груза во время перемещения исключен.
2. Зазор между внешним диаметром ходовой части измерительного щупа и диаметром отверстия в толкателе груза должен быть также минимальным и обеспечивать посадку скольжения, что достигается выполнением предельных отклонений размеров внешнего диаметра ходовой части щупа с квалитетом точности - 6, полем допуска - 6f, отверстия - 7Н. Таким образом, перекос измерительного щупа во время измерения прогиба исключен.
пруж
1
0
3. Пружина сжатия должна быть установлена с минимальной величиной поджатия и при этом не должна сминаться при приложении максимальной нагрузки, что достигается расчетной длиной пружины и выбором ее диаметра в свободном состоянии Н (фиг.3) при H чуть больше или равным Н.
0
k
где Н, L, S, t, d, n - конструктивные размеры пружины. Конструкция пружины соответствует ГОСТу 18793-80.
Нагрузочное устройство имеет модельный ряд конструкции платформы нагружения, который позволяет проводить нагружение упругого элемента сосредоточенной силой различной величины в зависимости от размеров конструкции мерного стального груза, устанавливаемого на платформу.
Конструкция мерного груза приведена на фиг.3, а его исполнительные размеры - в таблице 2, и представляет собой стальное плоское кольцо, разрезанное вдоль оси симметрии на две части для удобной его установки на грузовую платформу. Для получения мерного груза массой в пределах 1÷5 г достаточно изменять высоту пластины груза первой модификации с 1 до 5 мм соответственно.
Таблица 2.
Исполнительные размеры модификаций мерного груза
Модификация мерного груза
Внешний диаметр D, мм
Внутренний диаметр d, мм
Площадь поперечного сечения S<sub>поп</sub>, см<sup>2</sup>S<sub>поп</sub>=0,785(D-d)<sup>2</sup>
Расчетный вес Р<sub>рас</sub>, г Р<sub>рас</sub>=7,8S<sub>поп</sub> <sup>*</sup>
№
Вес, г<sup>**</sup>
1
10
14
4
1,8
11,02
2
25
22
4
3,6738
28,65
3
60
32,5
4
8,165
63,7
4
100
41,2
4
13,199
102,9
5
150
50
4
19,499
152,09
<sup>*</sup> Расчетная формула веса груза Р<sub>рас</sub>=7,8S<sub>поп</sub> справедлива для грузовой пластины толщиной равной, 10 мм. Увеличивая высоту пластины в k раз, можно получить увеличенную массу груза в k раз соответственно.
<sup>**</sup> Указанный вес мерного груза достигается путем подшлифовки торцевых поверхностей пластины и сравнения его с мерой.
Исполнительные размеры конструкции модельного ряда платформы нагружения представлены на фиг.4 и приведены в таблице 3.
Таблица 3.
Исполнительные размеры модельного ряда грузовой платформы
№
Размеры в мм
№ пружины по ГОСТ 18793-80
кг
h
d
d<sub>1</sub>
d<sub>2</sub>
d<sub>3</sub>
D
S
D<sub>1</sub>
H
H<sub>1</sub>
Макс. нагрузка
1
8
16
18
11
1086-0784
0,06
2
62
34
36
17
44
75
50
1086-0787
0,36
3
12
52
54
4
20
4
62
1086-0804
0,9
4
82
1,2
В таблице 3 приведен модельный ряд грузовой платформы с максимальной нагрузочной способностью устройства до 1,2 кг. Меняя исполнительные размеры грузовой платформы, можно добиться нагружения более высокими нагрузочными величинами.
Принцип работы устройства заключаются в следующем. Испытываемую пластину (упругий элемент) устанавливают на опорную плиту 1. На направляющие 3 вставляют планку 5 с грузовой платформой 6. Далее вращением стяжных муфт регулируется установочная высота Н, таким образом, чтобы поверхность сферической пяты толкателя соприкасалась с поверхностью испытываемого объекта в точке нагружения. Фиксируется величина отклонения стрелки Δ на градуированной шкале индикатора 7. При нагружении платформы мерным грузом необходимой величины измерительный щуп вместе с наконечником индикатора перемещается вниз в точке нагружения. Стрелка индикатора начинает изменять свое угловое положение. После того как стрелка примет окончательное положение (период успокоения), снимаются показания со шкалы индикатора. Прогиб пластины определяют по формуле
i
i
i
Σ
где w - измеренный прогиб; n - число целых делений, отсчитанное по шкале отсчетного устройства; m - доля деления шкалы с наименьшей ценой деления, отсчитанная на глаз; k - цена деления этой шкалы; Δ - величина отклонения по измерительной базе; Δ - суммарная погрешность измерения.
Технический результат заключается в одновременном нагружении испытуемого объекта сосредоточенной силой и измерении прогиба в точке нагружения, в корректности совмещения процессов измерения деформаций, перемещений и действия закона Гука в пределах пропорциональности, в устранении необходимости наклеивания тензорезисторов на исследуемую поверхность, в возможности нагружения модели ступенчатой нагрузкой необходимой величины без искажения воспроизводимой нагрузки натурной конструкции, получении достоверных измерительных данных в модельном эксперименте или статических испытаниях. Конструкция устройства нагружения проста в исполнении и эксплуатации, не требует сложной специальной и измерительной техники.
Заявленное нагрузочное устройство предназначено для одного вида нагружения - чистого изгиба.
Литература
1. Пригоровский Н.И. Методы и средства определения полей деформаций и напряжений. Справочник. - М.: Машиностроение, 1983, 248 с.
2. Беляев Н.М. «Сопротивление материалов». - М.: Наука, 1976, 607 с.
3. Серьезнов А.Н., Шашурин А.К. Методы и средства в прочностном эксперименте. - М.: МАИ, 1990, 197 с.