СТЕНД ДЛЯ УСТАЛОСТНЫХ ИСПЫТАНИЙ ГРУПП ОБРАЗЦОВ ПРИ ЦИКЛИЧЕСКОМ ИЗГИБЕ
BENCH FOR FATIGUE TESTS OF SAMPLE GROUPS AT CYCLIC BEND

Изобретение относится к испытательной технике, а именно к усталостным испытаниям групп образцов из сравниваемых материалов в условиях их нагружения, аналогичных изгибному нагружению зуба шестерни в коробках передач автомобилей (пульсирующее нагружение).
Известно устройство для нагружения группы образцов циклическим изгибом за счет гармонических электромагнитных сил, патент на изобретение RU №2079126, приоритет от 10.03.1993, опубл. 10.05.1997.
Данное устройство пригодно только для образцов из одинаковых по составу и состоянию сталей, т.е. материалов с одинаковыми ферромагнитными свойствами, поскольку разные ферромагнитные свойства материала образцов в одном и том же по напряженности электромагнитном поле вызовут разный прогиб образцов, следовательно, и разные напряжения в испытываемом сечении образца.
Известно устройство для испытаний группы образцов на усталость при изгибе, выполненное виде зубчатого зацепления, авт. свидетельство на изобретение SU №1704022, приоритет 10.07.1989, опубл. 07.01.1992.
В нем испытываемые образцы, в качестве спиц устанавливаются внутри ведущего зубчатого колеса между его зубчатым ободом и ступицей. Ведомое зубчатое колесо, оснащенное тормозным устройством, служит для нагружения ведущего задаваемым тормозным моментом.
В данном устройстве предложен расчетный метод минимальных и максимальных изгибных нагрузок на образцах, который не учитывает вес зубчатого венца и других сил, кроме крутящего момента, возникающих в зубчатом зацеплении. А также при разрушении одного или нескольких испытываемых образцов происходит изменение нагрузки на остальные образцы, при этом отсутствует контроль за разрушением остальных образцов.
Известен стенд для усталостных испытаний группы образцов на изгиб, выбранный в качестве прототипа по авт. свидетельству на изобретение SU №1795348, приоритет от 04.12.1989, опубл. 15.02.1993.
В качестве нагружающего устройства в данной конструкции стенда используется электродинамический вибратор. Группа образцов, радиально расположенных и закрепленных одним концом на неподвижной кольцевой платформе, нагружаются одновременно на втором конце, обращенным к центру платформы, через упругую балочку, которая, в свою очередь, соединена с подвижным валом, связанным с вибратором и совершающим возвратно-поступательные перемещения в центре платформы. На каждой упругой балочке наклеен тензорезистивный датчик для регистрации силы нагружения на каждый образец, а сама балочка с испытываемым образцом связана с помощью механического зажима.
К недостаткам данного стенда можно отнести следующее:
- испытания при одновременном нагружении образцов от одного и того же нагружателя допускает несанкционированный перегруз оставшихся образцов при разрушении одного или нескольких образцов, испытывающихся в пакете, в течение периода восстановления запрограммированного нагружения (если такая система восстановления существует);
- использование индивидуальных датчиков для каждого образца усложняет процесс их тарировки и ухудшает сопоставимость зарегистрированных с них данных (высокая зависимость от качества и надежности наклейки датчика на упругую балочку);
- механическое соединение упругой балочки с образцом не обеспечивает абсолютной жесткости этого соединения (при сварке или нагружении непосредственно самого образца);
- электромагнитные системы нагружения являются более сложными и менее надежными по передаче требуемого усилия или деформации на испытываемый образец, чем, например, механические системы.
Технической задачей изобретения является расширение технических возможностей при проведении испытаний групп образцов на изгиб.
Техническим результатом использования изобретения является повышение производительности испытаний группы образцов из сравниваемых материалов, имеющих в испытываемом сечении профиль и размеры, аналогичные ножке зуба шестерни, и условия нагружения (по величине и характеру нагружения изгибающим моментом), максимально приближенные к работе зуба шестерни в эксплуатации (нестационарные нагрузки), повышение точности испытаний, увеличение информативности состояния, образцов и процессов, происходящих в них, а также повышение надежности результатов испытаний.
Указанный технический результат достигается за счет разработки конструкции стенда.
Стенд для усталостных испытаний групп образцов при циклическом изгибе, содержащий динамометрическую платформу с закрепленной на ней связкой приспособлений, в которых консольно зажаты испытываемые образцы, датчики измерения физических величин, отличающийся тем, что в качестве базового элемента включает вертикально-фрезерный станок, оснащенный торцевой фрезой с регулируемыми вдоль оси фрезы ложементами-толкателями и закрепленными в них твердосплавными пластинами, рабочие концы которых выполнены сферическими; содержит приспособление для закрепления образцов с коромыслом, передающим последовательно изгибающую нагрузку от ложементов-толкателей, при вращении фрезы; образцы в приспособлении зажаты посредством клина; в качестве силоизмерительного прибора содержит динамометрическую платформу, единую для замера величины усилия, действующего на свободный конец каждого из последовательно нагружаемых образцов; коромысло выполнено с возможностью качения вокруг оси подвижной каретки и зафиксировано от бокового смещения штырем, а также для возврата в строго зафиксированное исходное положение снабжено регулируемым упором, в частном случае выполненным в виде винтовой шпильки с контргайкой; на свободном конце каждого из испытываемых образцов установлена накладка с регулировочными наборными пластинами для настройки усилия нагружения каждого из образцов, на поверхности фасонной площадки коромысла выполнена напайка из твердого сплава; с нижней стороны зажатого конца каждого из образцов располагается акустический датчик для фиксации процессов, происходящих в образце во время нагружения, а также датчик, фиксирующий температурное состояние образца в процессе испытания, на столе фрезерного станка размещены видеодатчики, фиксирующие появление и развитие усталостных трещин на образцах. Конструкция предусматривает наличие системы сбора и компьютерной обработки данных по проведенным испытаниям образцов. Для обеспечения безопасности проведения испытаний в конструкции предусмотрен изолирующий кожух для закрытия зоны испытаний.
Сущность изобретения характеризуется чертежами, где на фиг.1 показан общий вид стенда, на фиг.2 показаны зажимные приспособления с закрепленными испытываемыми образцами.
Стенд включает в себя (фиг.1), в качестве базового элемента, вертикально-фрезерный консольный станок (6Т12 или 6Т13), на рабочем столе 1 которого установлена динамометрическая платформа 2, на которой, в свою очередь, закреплены связанные воедино (фиг.2) зажимные приспособления 3 с закрепленными испытываемыми образцами 4. Образцы в приспособлениях закреплены консольно с помощью клина 5. Свободный конец каждого из образцов нагружен через сферический конец 6 коромысла 7 усилием, возникающим при взаимодействии сферического конца 13 ложемента-толкателя 12, движущегося в горизонтальной плоскости, с уклоном на фасонной площадке 8 коромысла 7 (фиг.1). В качестве нагружающего элемента стенда используют торцевую фрезу 14 диаметром в пределах от 250 мм до 315 мм, оснащенную регулируемыми по высоте (в осевом направлении) ложементами-толкателями 12 с механическим креплением твердосплавных пластин, рабочий конец которых выполнен сферическим. Штырь 11 выполняет роль ограничителя от перемещения коромысла под действием боковой силы, возникающей при скольжении конца ложемента-толкателя 12 по уклону фасонной площадки 8. Коромысло 7 выполнено с возможностью качения вокруг оси основания коромысла 17, которое, в свою очередь, имеет возможность перемещаться вдоль корпуса зажимного приспособления 4 при изменении длины испытываемых образцов. Сферический конец 6 коромысла 7 воздействует на свободный конец испытываемого образца через накладку 9, которая связывает и крепит на этом конце образца наборные регулировочные пластины 10. Ее назначение заключается в том, чтобы, во-первых, обеспечить одинаковый прогиб (или усилие на образец) от одного и того же ложемента-толкателя 12 для всех участвующих в испытаниях образцов, а, во-вторых, отсечь от попадания в испытываемый образец акустические помехи от соударяющихся частей стенда. Винтовая шпилька 15 с контргайкой 16 служат как ограничители хода коромысла при снятии с него нагрузки. На поверхности фасонной площадки 8 коромысла 7 выполнена напайка из твердого сплава 21.
Кроме датчика нагрузки на образец, роль которого выполняет динамометрическая платформа, каждая позиция испытываемого образца оснащена: датчиком прогиба образца 20, акустическим датчиком 18, поджимаемым к образцу группой винт-гайка 19, датчиком температуры образца, регистратором появления и раскрытия усталостной трещины (позиция не показана). Имеется опознаватель образца, принятого за первый. Все датчики и плита через систему сбора данных подключены к компьютеру (не показан). Поскольку образцы нагружаются последовательно, имеется возможность фиксировать и накапливать массив данных по информации с датчиков, касающейся конкретного образца с представлением ее на экране в реальном масштабе времени, увеличить число показателей, по которым ведется контроль за нагружением и состоянием образца.
При проведении испытаний образцов в специальных климатических условиях, например при пониженных температурах, в конструкции предусмотрено использование изолирующего кожуха для закрытия зоны испытаний (не показан).
Работа стенда происходит следующим образом. Предварительно вне станка производят установку образцов в зажимное приспособление с контактной настройкой площадок коромысел по высоте (размер «h») с точностью 0,01 мм. Связку приспособлений (фиг.2) выполняют таким образом, чтобы середины контактных площадок коромысел находились на траектории движения М, равной диаметру фрезы по сферическим концам 13 ложементов-толкателей 12. После закрепления связки приспособлений на протарированной также предварительно динамометрической платформе, центрируют ось фрезы с осью середин фасонных площадок 8 коромысел 7. Подсоединяют датчики к системе сбора данных. Перемещением рабочего стола станка вверх-вниз и осевым перемещением ложементов-толкателей в корпусе фрезы, вращая фрезу в толкательном режиме, настраивают необходимый режим нагружения и нагрузку на каждый образец либо по прогибу, либо по усилию. Процесс выполняют для каждого толкателя отдельно. При одинаковой нагрузке по прогибу толкатели устанавливают на одном уровне, а при разной - на разных уровнях. Включают определитель образца, выбранный как первый, устанавливают частоту вращения шпинделя станка, запускают вращение шпинделя и проводят испытания.
Предлагаемый стенд позволяет реализовать:
- в одном цикле нагружения набор разных по величине нагрузок на каждый образец;
- нагружать каждый образец индивидуальной по величине нагрузкой, таким образом появляется возможность по результатам одного эксперимента, при использовании образцов из одного и того же металла, построить кривую усталости для этого металла;
- в рамках одного эксперимента определить влияние масштабного фактора образца (размера поперечного сечения образца) на характеристики усталости.
К особенностям и достоинствам предлагаемого стенда можно отнести следующее:
- использование, для большей части элементов стенда, массово выпускаемых промышленностью изделий, таких как вертикально фрезерные станки, динамометрические платформы, датчики, предложенные для стенда, фрезы с регулируемыми по высоте кассетами, снабженные механическим креплением для твердосплавных пластин, за исключением приспособлений для зажима испытываемых образцов, которые специально изготавливают для стенда, что дает возможность применять стенд на предприятиях машиностроения, научно-исследовательских организациях, занимающихся исследованиями металлов;
- надежный механический способ нагружения консольно-закрепленных образцов, с возможностью точной настройки нагружения по усилию и по прогибу;
- стенд оснащен системой датчиков, обеспечивающих сбор исчерпывающей информации для контроля и анализа процессов, характерных для усталостных испытаний;
- наличие у стенда современной системы сбора данных и их компьютерная обработка с помощью специальных программ позволяют повысить информативность результатов и достоверность выводов об эффективности того или иного из сравниваемых материалов;
- использования для контроля величины сил нагружения на всю группу образцов одной и той же силоизмерительной платформы позволяет: избежать сбоя в процессе контроля сил из-за выхода из строя тензорезестивного датчика у какого-то одного образца, в случае использования группы индивидуальных датчиков; снизить затраты времен на тарировку силоизмерительных устройств, повысить достоверность анализа результатов по силам;
- последовательное нагружение испытываемых образцов упрощает регистрацию сигналов в реальном масштабе времени, и при поломке одного из образцов позволяет сохранить неизменным нагружение на другие образцы.