РЕВЕРСОР ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ОБРАЗЦОВ
REVERSER FOR INVESTIGATION OF PHYSICAL AND MECHANICAL PROPERTIES OF SPECIMENS

Изобретение относится к испытательной технике, а именно к устройствам для определения физико-механических свойств образцов.
Оно может быть использовано совместно с испытательными машинами для исследования комплекса физико-механических свойств образцов в условиях комнатной и высоких температур.
Известна машина для испытания образцов на растяжение и сжатие (патент РФ №2279658 от 09.11.2004 г., МПК G01N 3/08), содержащая испытательную установку (реверсор) с подвижной траверсой и механизмом ее перемещения, выполненным в виде пары винтовых передач, регулируемый электропривод с электродвигателем, регулятор скорости, измеритель силы с датчиком силы, измеритель перемещения подвижной траверсы (деформации образца) с датчиком перемещения (деформации), блок программирования нагрузки (деформации).
Недостатком машины является ее ограниченные функциональные возможности, обусловленные тем, что с помощью нее можно проводить испытания с определением деформационно-прочностных свойств только металлических образцов и только при комнатной температуре.
Известен универсальный реверсор для испытаний на растяжение-сжатие, предназначенный для испытания полимерных материалов (а.с. №356511, МПК G01N 3/02, от 28.12.1970 г.), содержащий попарно соединенные направляющими колонками и перемещаемые по ним относительно друг друга при приложении растягивающего усилия внешние и внутренние траверсы, две несущие зажимы образца втулки, установленные в отверстия внешних и внутренних траверс, две средние и две наружные опорные гайки, перемещающиеся по втулкам с возможностью опирания их на внутренние и внешние траверсы.
Недостатками реверсора являются ограниченные функциональные возможности, обусловленные тем, что на нем можно испытывать образцы только из полимерных материалов и только на растяжение-сжатие при комнатной температуре.
Наиболее близким к заявляемому реверсору по технической сущности и положительному эффекту является реверсор для испытаний на растяжение-сжатие (а.с.№842466, МПК G01N 3/08, от 07.08.1979 г.). Он содержит попарно соединенные направляющими колонками внешние и внутренние траверсы с отверстиями, два силовых штока и две соединительные втулки, установленные в отверстиях траверс и жестко связанные с внешними траверсами. На одном из концов каждого штока, на внутренней поверхности каждой втулки и в каждом из отверстий внутренних траверс выполнены симметричные выступы, оси симметрии выступов каждой втулки расположены под прямым углом к осям симметрии выступов траверс, а штоки установлены с возможностью поворота вокруг своих осей и взаимодействия своими выступами с выступами втулок или траверс.
Признаки прототипа, совпадающие с существенными признаками заявляемого изобретения, - реверсор для исследования физико-механических свойств образцов, содержащий попарно соединенные направляющими колонками внешние и внутренние траверсы с отверстиями, силовой шток и две соединительные втулки, установленные в отверстиях траверс и связанные с внешними траверсами.
Недостатками реверсора являются ограниченные функциональные возможности, т.к. с помощью его можно испытывать образцы только из металла, только на растяжение-сжатие и только при комнатной температуре.
Задачей изобретения является расширение функциональных возможностей реверсора за счет возможности исследований физико-механических свойств образцов из любого материала при температуре выше комнатной.
Поставленная задача была решена за счет того, что в известном реверсоре для исследования физико-механических свойств образцов, содержащем попарно соединенные направляющими колонками внешние и внутренние траверсы с отверстиями, силовой шток и две соединительные втулки, установленные в отверстиях траверс и связанные с внешними траверсами, между внутренними траверсами на направляющих колонках неподвижных траверс дополнительно установлена направляющая траверса с отверстием в центре под силовой шток; на силовом штоке закреплен плоский элемент, выполненный в виде 3-х лучевой звезды; силовой шток выполнен с возможностью замены и соединен с плоским элементом с помощью резьбового соединения; над внутренней неподвижной траверсой и под внутренней подвижной траверсой размещены жестко соединенные с ними Т-образные площадки; в центре Т-образной площадки неподвижной внутренней траверсы резьбовым соединением закреплен опорный стол для испытуемого образца, на этой же площадке установлен теплоизолированный от траверс нагревательный элемент; в центре Т-образной площадки подвижной внутренней траверсы снизу жестко закреплен шар для самоцентровки силового штока и плоского элемента; на нижней поверхности внутренней неподвижной траверсы под лучами плоского элемента жестко закреплены три Г-образные державки с установленными на них датчиками перемещения. Плоский элемент выполнен в виде 3-х лучевой звезды с усеченными концами. Реверсор дополнительно снабжен набором силовых штоков, имеющих различные рабочие поверхности, включающим, например, шток с плоской рабочей поверхностью, шток с наконечником твердомера, шток с иглой с плоским дном. Также реверсор снабжен набором опорных столов, имеющих одинаковую по размерам крепежную часть и различные по диаметру и высоте опорные части.
Существенные признаки заявляемого изобретения, отличительные от признаков прототипа, - между внутренними траверсами на направляющих колонках неподвижных траверс дополнительно установлена направляющая траверса с отверстием в центре под силовой шток; на силовом штоке закреплен плоский элемент, выполненный в виде 3-х лучевой звезды; силовой шток выполнен с возможностью замены и соединен с плоским элементом с помощью резьбового соединения; над внутренней неподвижной траверсой и под внутренней подвижной траверсой размещены жестко соединенные с ними Т-образные площадки; в центре Т-образной площадки неподвижной внутренней траверсы резьбовым соединением закреплен опорный стол для испытуемого образца, на этой же площадке установлен теплоизолированный от траверс нагревательный элемент; в центре Т-образной площадки подвижной внутренней траверсы снизу жестко закреплен шар для самоцентровки силового штока и плоского элемента; на нижней поверхности внутренней неподвижной траверсы под лучами плоского элемента жестко закреплены три Г-образные державки с установленными на них датчиками перемещения.
Реверсор дополнительно снабжен набором силовых штоков, имеющих различные рабочие поверхности и набором опорных столов, имеющих одинаковую по размерам крепежную часть и различные по диаметру и высоте опорные части.
Выполнение Т-образной площадки под внутренней подвижной траверсой и жестко закрепленного в ней шара, служащего шаровой опорой для блока элементов - силового штока и закрепленного на нем плоского элемента, - позволяет самоцентрировать блок при установке силового штока на образец и испытании образца. Шаровая опора гарантирует качественную синхронную работу блока элементов без перекосов и вибраций.
Плоский элемент, выполненный в виде трехлучевой звезды, служит для измерения перемещения силового штока (деформации образца или глубины вдавливания торцевой части штока в образец). Измерение осуществляется датчиками перемещения, размещенными под лучами звезды. Для того чтобы достичь высокой точности измерений, датчики закреплены под внутренней неподвижной траверсой на трех державках с угловым шагом 120°, т.к. для однозначного определения положения поверхности контакта силового штока с образцом в пространстве необходимо и достаточно определить координаты трех точек. Определение же положения поверхности контакта силового штока с образцом в пространстве по одной, двум или четырем точкам измерения, не находящимся на оси симметрии образца, приводит к увеличению погрешности измерения.
Наличие жестко закрепленного на силовом штоке плоского элемента, а также датчиков перемещения позволяет повысить чувствительность и точность измерения перемещения силового штока и, следовательно, точность измерения деформации образца или глубины вдавливания торцевой части штока в образец.
Плоский элемент предпочтительно выполнять с усеченными концами звезды, что позволит оптимизировать габаритные размеры как самого плоского элемента, так и реверсора в целом.
Т-образная площадка на внутренней неподвижной траверсе служит подставкой для нагревательного элемента и опорного стола, центрирующего местоположение испытуемого образца.
Использование нагревательного элемента в конструкции реверсора позволяет проводить испытания образцов не только при комнатной, но и при более высокой температуре. Размещение нагревательного элемента внутри реверсора локализует пространство, занимаемое термокамерой, что приводит к ускорению процесса нагрева образца, сбережению электроэнергии и материалов на изготовление термокамеры, а также к более равномерному распределению температуры в камере и соответственно в образце.
Силовой шток реверсора соединен с плоским элементом с помощью резьбового соединения, т.е. выполнен с возможностью замены. Реверсор дополнительно снабжен набором силовых штоков, имеющих различные рабочие поверхности. Набор может включать в себя, например, шток с плоской рабочей поверхностью, шток с наконечником твердомера, шток с иглой с плоским дном. В зависимости от вида установленного в реверсор штока исследуются те или иные свойства образцов. Вышеперечисленные сменные штоки позволят испытывать образцы на сжатие, определять коэффициент линейного теплового расширения, определять твердость и теплостойкость по Вика. Возможность установки в реверсоре различных видов штоков позволит проводить различные виды исследования физико-механических свойств образцов, что значительно расширит функциональные возможности заявляемого реверсора.
Опорный стол реверсора также выполнен с возможностью замены. Реверсор дополнительно снабжен набором опорных столов, имеющих одинаковую по размерам крепежную часть и различные по диаметру и высоте опорные части. Опорные столы можно легко менять при изменении параметров исследуемых образцов. Особенно это важно при испытаниях образцов при высокой температуре для обеспечения равномерного нагрева исследуемых образцов по всему его сечению. При испытаниях в условиях высоких температур размеры опорного стола выбирают в соответствии с размерами образца.
Возможность использования в реверсоре силовых штоков, имеющих различные рабочие поверхности, и опорных столов, имеющих различные по размеру рабочие поверхности опорных частей, а также использование нагревательного элемента позволяет значительно расширить функциональные возможности заявляемого реверсора. С помощью предлагаемого реверсора возможно определение таких свойств образцов, как сопротивление сжатию, предел текучести, предел пропорциональности, относительное укорочение, не только при комнатной, но и при высоких температурах. Дополнительно с помощью заявляемого устройства можно определять: твердость, теплостойкость по Вика, коэффициент линейного теплового расширения и другие свойства в зависимости от вида используемого силового штока.
Предлагаемое устройство иллюстрируется чертежами, представленными на фиг.1-5.
На фиг.1 схематически показан реверсор, в разрезе.
На фиг.2 показан реверсор, вид сбоку.
На фиг.3 показано сечение А-А на фиг.1.
На фиг.4 схематически показан набор силовых штоков, вид спереди.
На фиг.5 схематически показан плоский элемент, вид сверху.
Реверсор содержит внешнюю 1 и внутреннюю 2 неподвижные траверсы, внешнюю 3 и внутреннюю 4 подвижные траверсы, направляющие колонки 5-8, попарно соединяющие внешние 1, 3 и внутренние 2, 4 траверсы, втулки 9 и 10, установленные в отверстиях траверс 1 и 3 и связанные с ними с помощью гаек 11. Над внутренней неподвижной траверсой 2 и под внутренней подвижной траверсой 4 размещены Т-образные в сечении площадки 12 и 13 с отверстиями 14 и 15 соответственно. В отверстии 14 резьбовым соединением установлен опорный стол 16 цилиндрической формы переменного сечения. В отверстии 15 закреплен шар 17. На Т-образной площадке 12 через теплоизоляционную прокладку 18 установлен разъемный нагревательный элемент 19. На нагревательном элементе 19 размещена теплоизоляционная прокладка 20, над которой установлена направляющая траверса 21 для силового штока 22, размещенного в сквозном отверстии этой траверсы. Силовой шток 22 имеет цилиндрическую форму. На силовом штоке 22 резьбовым соединением закреплен плоский элемент 23, выполненный в виде 3-х лучевой с усеченными концами звезды, который вместе с датчиками перемещения 24, жестко закрепленными на державках 25, служит для измерения перемещения силового штока 22 (деформации образца или глубины вдавливания торцевой части штока в образец).
Реверсор снабжен набором опорных столов, имеющих одинаковую по размерам крепежную часть и различные по диаметру и высоте опорные части.
Также реверсор дополнительно снабжен набором силовых штоков, имеющих различные рабочие поверхности, контактирующие с образцом, например, таких как: шток 26 с плоской поверхностью, шток 27 с наконечником твердомера, шток 28 с рабочей поверхностью в виде иглы, имеющей плоский торец.
Устройство работает следующим образом.
Реверсор устанавливают в испытательную машину (на фиг. не показана). Для этого внешнюю неподвижную траверсу 1 реверсора с помощью втулки 9 и гайки 11 соединяют через датчик силы (на фиг. не показан) с пассивным захватом испытательной машины, а внешнюю подвижную траверсу 3 реверсора с помощью втулки 10 и гайки 11 с активным захватом испытательной машины.
Исследуемый образец 29 помещают на опорный стол 16, включают привод испытательной машины (не показан) для перемещения активного захвата машины и связанной с ним внешней подвижной траверсы 3. Усилие от внешней подвижной траверсы 3 передается через колонки 7 и 8 на внутреннюю подвижную траверсу 4, от нее на Т-образную площадку 13, далее через шар 17 на силовой шток 22. Силовой шток 22 с соответствующей рабочей поверхностью опускается на поверхность образца 29 и деформирует или внедряется (в зависимости от вида испытания) в образец 29. Деформация образца или глубина вдавливания торцевой части штока в образец 29 измеряется по перемещению плоского элемента 23 (фиг.5), соединенного с силовым штоком 22.
При испытании образца 29 сигналы, поступающие с датчика силы (не показан), а также с трех датчиков перемещения 24 и с датчика температуры (не показан) регистрируются и обрабатываются ЭВМ.
При испытании образца в условиях температуры выше комнатной включают нагревательный элемент 19, образец 29 нагревается до заданной температуры и после определенной выдержки его подвергают испытанию.
При испытании образцов на сжатие, при определении коэффициента линейного теплового расширения (в соответствии с ГОСТ 15173-70) используют силовой шток 26 с плоскопараллельной рабочей поверхностью. При испытании образца 29 на твердость (в соответствии с ГОСТ 4670-91, ISO 2039-1:2001) используют силовой шток 27 с рабочей поверхностью в виде наконечника твердомера. При определении теплостойкости по Вика (в соответствии с ISO 306, DIN 53460, ASTM D1525) используют силовой шток 28 с рабочей поверхностью в виде в виде иглы, имеющей плоский торец.
При испытании образцов выбирают такой опорный стол 16, у которого размеры верхней опорной части оптимально соответствуют размерам образца 29.
По сравнению с прототипом заявляемый реверсор имеет следующие преимущества:
- позволяет испытывать образцы не только при комнатной, но и при более высокой температуре;
- дополнительно позволяет определять: твердость, теплостойкость по Вика, коэффициент линейного теплового расширения образцов и другие свойства в зависимости от вида используемого силового штока.