УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОНТАКТНО-УСТАЛОСТНЫХ ИСПЫТАНИЙ ОБРАЗЦОВ МАТЕРИАЛОВ

Техническое решение относится к устройствам для испытаний материалов на прочность, в частности к испытаниям на контактную выносливость по схеме пульсирующего контакта для получения контактно-усталостных характеристик материалов и может быть использовано в испытательной технике в авиационной промышленности, машиностроении, судостроении и других областях.
Способность материала выдерживать контактные нагрузки является важной характеристикой, определяющей качество многих машиностроительных материалов и покрытий. При повторяющемся (циклическом) контактном нагружении развиваются процессы накопления поврежденности и развития разрушения поверхностных слоев материала под действием переменных контактных напряжений, вызывающих образование ямок выкрашивания (питтинг) или трещин и снижение долговечности, то есть имеет место контактная усталость материала.
В отличие от схемы качения, испытания на контактную выносливость по схеме пульсирующего контакта могут являться более эффективными для оценки контактной выносливости покрытий и материалов после различных поверхностных обработок. Это обусловлено тем, что при контактной усталости по схеме пульсирующего контакта зарождение трещин начинается с поверхности, тогда как при контактной усталости по схеме качения наиболее интенсивная деформация и зарождение субмикроскопических трещин протекают в подповерхностных слоях [Орлов А.В., Черменский О.Н., Нестеров В.М. Испытания конструкционных материалов на контактную усталость. - М.: Машиностроение, 1980. - 110 с.]. Кроме того, использование контробразцов различной формы при пульсирующем контакте позволяет реализовать различные условия нагружения в зоне контакта контробразца с образцом, то есть получить более полные данные о контактной выносливости материала.
Известно Устройство с импульсной нагрузкой для испытаний на контактную выносливость [Патент РФ 2522781], которое содержит вращающийся обкатник с деформируемыми телами, сепаратор и испытуемый образец, при этом оно снабжено гидроцилиндром, в котором расположен боек, волноводом, выполненным с возможностью приложения к нему статической нагрузки и посредством бойка периодической импульсной нагрузки, гидравлическим генератором импульсов для питания гидроцилиндра. При этом волновод соединен подвижно с помощью упорного подшипника с обкатником, последний приводится во вращение от индивидуального привода, расположенного в корпусе и состоящего из электродвигателя, клиноременной передачи и вала, на котором на одном конце на шлицах установлен обкатник, на другом конце шкив клиноременной передачи, а на средней части - подшипники опорного узла.
Недостатками этого устройства являются:
- перемещение образца во время проведения испытаний, поскольку образцы в держателе удерживаются за счет статической силы поджатая бойка, к которому прикладывается периодическая импульсная нагрузка. Наличие таких перемещений вызывает вибрацию образца и нарушение условий контакта при проведении испытаний по схеме пульсирующего контакта, когда контрообразец совершает пульсирующие движения по поверхности образца;
- невозможность установления влияния на контактно-усталостное изнашивание площади поверхности контакта образца и контробразца, поскольку образцы и контробразцы имеют одинаковую форму и размеры и находятся в одном положении, то есть площадь поверхности их контакта остается постоянной и не может быть изменена;
- влияние нагрева на результаты контакно-усталостных испытаний, поскольку нагрев изменяет физико-механические характеристики образца и контробразца и, соответственно, характер изнашивания и износ материалов.
Наиболее близким к заявляемому является Устройство для испытания материалов на контактную выносливость поверхностей деталей машин [Патент РФ 2357227], включающее держатель образца, держатель контробразца, имеющий крепежные элементы для крепления контробразца в форме паза, причем держатели образца и контробразца имеют переходники, которые содержат конструктивные элементы для соединения с держателем контробразца и держателем образца и для присоединения к испытательной установке, способной создавать повторяющиеся и/или пульсирующие усилия и содержащей контрольно-измерительное устройство, обкатник с деформирующими телами, предназначенными для взаимодействия с образцами, кроме того, между упорами подвижной плиты и основания установлена пружина сжатия, которая центрируется винтом и создает статическую силу поджима образцов к обкатнику.
К недостаткам этого устройства относятся:
- перемещение образца во время проведения испытаний, поскольку образцы в держателе удерживаются за счет статической силы поджима образцов к обкатнику, создаваемой пружиной сжатия, которая центрируется винтом. Наличие таких перемещений вызывает вибрацию образца и нарушение условий контакта при проведении испытаний по схеме пульсирующего контакта, когда контрообразец совершает пульсирующие движения по поверхности образца;
- невозможность установления влияние на контактно-усталостное изнашивание площади поверхности контакта образца и контробразца, поскольку образцы и контробразцы имеют одинаковую форму и размеры и находятся в одном положении, то есть площадь поверхности их контакта остается постоянной и не может быть изменена путем каких-либо регулировок. Из уровня техники известно, что соотношение размеров контактирующих поверхностей, при прочих равных условиях, существенно влияет на характер изнашивания и износ материалов;
- влияние нагрева на результаты контакно-усталостных испытаний, поскольку нагрев изменяет физико-механические характеристики образца и контробразца и, соответственно, характер изнашивания и износ материалов.
В основу полезной модели положена задача расширения функциональных возможностей устройства.
Техническим результатом, достигаемым заявляемым устройством, является возможность установления влияния на контактно-усталостное изнашивание площади поверхности контакта образца и контробразца путем обеспечения постоянных условий их контакта во время испытаний за счет надежной фиксации образца и возможности поворота последнего относительно контробразца для контролируемого изменения площади поверхности контакта образца и контробразца.
Поставленная задача решается тем, что в устройстве для испытания материалов на контактную выносливость, включающем держатель образца, держатель контробразца, имеющий крепежные элементы для крепления контробразца в форме паза, причем держатели образца и контробразца имеют переходники, которые содержат конструктивные элементы для соединения с держателем контробразца и держателем образца и для присоединения к испытательной установке, способной создавать повторяющиеся и/или пульсирующие усилия и содержащей контрольно-измерительное устройство, согласно полезной модели, держатель образца снабжен крепежными элементами для крепления образца в форме фиксируемых винтами накладных пластин и регулировочными элементами для поворота образца.
При этом:
- конструктивные элементы переходников выполнены в форме резьбы;
- регулировочные элементы для поворота образца выполнены в форме шаровой опоры с фиксирующими винтами;
- введена система охлаждения зоны контакта образца и контробразца, выполненная в форме камеры, заполненной охлаждающей жидкостью.
Снабжение держателя образца крепежными элементами для крепления образца в форме фиксируемых винтами накладных пластин дало возможность исключить любое перемещение образца во время проведения испытаний, что позволило устранить вибрации образца и обеспечить постоянные условия контакта образца и контробразца.
Снабжение держателя образца регулировочными элементами для поворота образца обеспечило возможность изменения площади поверхности контакта образца и контробразца, а выполнение последних в форме шаровой опоры с фиксирующими винтами дало возможность плавно регулировать и устанавливать максимальную площадь поверхности контакта образца и контробразца, и, следовательно, позволило установить влияние на контактно-усталостное изнашивание площади поверхности контакта образца и контробразца.
Кроме того, выполнение конструктивных элементов переходников в форме резьбы позволило заменять держатели образца и контробразца, не вынимая из держателей образец и контробразец.
Система охлаждения зоны контакта образца и контробразца позволила исключить влияние нагрева на результаты контактно-усталостных испытаний.
Таким образом, снабжение держателя образца крепежными элементами для крепления образца в форме фиксируемых винтами накладных пластин и регулировочными элементами для поворота образца обеспечило новый технический результат, заключающийся в установлении влияния на контактно-усталостное изнашивание площади поверхности контакта образца и контробразца, что позволило расширить функциональные возможности устройства.
На фиг. 1 представлено устройство для испытания материалов на контактную выносливость, вид спереди;
на фиг. 2 - вид сверху на держатель образца с установленным образцом.
Устройство для испытания материалов на контактную выносливость включает держатель 1 образца 2, держатель 3 контробразца 4, имеющий крепежные элементы в форме паза 5 для крепления контробразца 4. Контробразец 4 может быть выполнен в форме шара или в форме цилиндра с плоской торцевой поверхностью, по которой осуществляется контакт контробразца 4 с образцом 2. Держатели 1 и 3 образца 2 и контробразца 4 соответственно имеют переходники 6, содержащие конструктивные элементы в форме резьбы 7 для соединения с держателем 3 контробразца 4 и держателем 1 образца 2 и конструктивные элементы, например, тоже в форме резьбы (на чертеже не показаны) для присоединения к испытательной установке (на чертеже не показана), способной создавать повторяющиеся и/или пульсирующие усилия и содержащей контрольно-измерительное устройство. Держатель 1 снабжен крепежными элементами в форме накладных пластин 8, фиксируемых винтами 9 для крепления образца 2 и регулировочными элементами в форме шаровой опоры 10 с фиксирующими винтами 11 для поворота образца 2. Для охлаждения зоны контакта образца 2 и контробразца 4, устройство дополнено системой охлаждения, выполненной в форме камеры, заполненной охлаждающей жидкостью (на чертеже не показана).
Устройство работает следующим образом. Для проведения испытаний в держатель 1 устанавливают образец 2 и фиксируют крепежными элементами, выполненными в форме фиксируемых винтами 9 накладных пластин 8. В паз 5 держателя 3 контробразца 4 устанавливают контробразец 4, при этом контробразец 4 должен выступать над поверхностью держателя 3 контробразца 4. Держатели 1 и 3 образца 2 и контробразца 4 соответственно закрепляют на переходниках 6 с помощью резьбовых соединений 7. Переходники 6 присоединяют к используемой испытательной установке с помощью соответствующих конструктивных элементов. Контробразец 4 приводят в соприкосновение с образцом 2. При этом с помощью шаровой опоры 10 и фиксирующих винтов 11 образец 2 поворачивают относительно контробразца 4. Включают испытательную установку (сервогидравлическую или ультразвуковую), при этом контрообразец 4 создает пульсирующие усилия в зоне контакта с поверхностью образца 2 с заданными параметрами нагружения. После выполнения заданного числа циклов контактного нагружения испытания завершаются, держатель 1 образца 2 отсоединяют от переходника 6, образец 4 извлекают из держателя 3 и подвергают лабораторным исследованиям.
При работе устройства с ультразвуковой частотой нагружения необходима подача охлаждающей среды в зону контакта образца и контробразца. Для этого устанавливается система охлаждения зоны контакта образца 2 и контробразца 4, выполненная в форме камеры, заполненной охлаждающей жидкостью.