КАМЕРА НИЗКОТЕМПЕРАТУРНАЯ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЙ ПРОЧНОСТНЫХ СВОЙСТВ МАТЕРИАЛОВ

Полезная модель относится к испытательной технике, а именно - к машинам для исследования прочностных свойств материалов путем приложения к ним механических усилий при отрицательных температурах окружающей среды и может быть использована для многократных испытаний образцов твердых материалов для определения прочностных характеристик при статическом или динамическом нагружении в условиях заданной установившейся отрицательной температуры.
Из существующего уровня техники известно техническое решение (RU 2515122; 10.05.2014), описывающее твердомер стационарный для измерения твердости образцов металла при отрицательной температуре. Твердомер содержит корпус, предметный стол с возможностью вращения и вертикального перемещения, индентор с системой перемещений и систему нагружения образца. Твердомер снабжен системой охлаждения и регулирования температуры образца, состоящей из сосуда Дьюара с жидким азотом, подводящего и отводящего шлангов, связанных с предметным столом, который выполнен в виде камеры с теплоизолирующим корпусом и размещенной внутри нее кюветы со спиртом для образца. Корпус камеры снабжен датчиком температуры, подводящий шланг соединен с сосудом Дьюара через регулировочный кран, а на отводящем шланге расположены манометр и дублирующий кран.
Также известно изобретение (RU 2055343; 27.02.1996), описывающее устройство для испытания образцов материалов на сдвиг при низких температурах. Устройство представляет собой криостатирующий сосуд, в котором располагается механизм нагружения, включающий подвижные и неподвижные захваты, механизм нагружения, дифференциальную систему регистрации деформации образца с индуктивным датчиком измерения деформации и систему сканирования температуры, захваты выполнены в виде плунжерной пары, шток которой закреплен на неподвижной колонне, а подвижная втулка связана с механизмом нагружения и установлена вдоль оси штока с возможностью перемещения вдоль нее, в выемках на штоке и подвижной втулке размещена ячейка для образца, а индуктивный датчик измерения деформации включен дифференциально так, что его корпус при помощи силовых тяг связан со штоком, а сердечник с подвижной втулкой. Источником холода является криогенная жидкость, то есть хладоноситель, позволяющий понизить температуру образца за счет теплоты фазового перехода хладоносителя.
Наиболее близким к заявляемой полезной модели техническим решением является установка для испытаний материалов на прочность при криогенных температурах (RU 143328; 20.07.2014). Установка размещена в рабочей зоне испытательной машины, предназначенной для растяжения образцов до разрушения. Захваты для закрепления образца подсоединены к захватам испытательной установки. Установка и крепление образца материала происходит с помощью захватов установки. 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. Источником холода является система подачи жидкого азота. При проведении испытаний предусмотрено создание вакуума в испытательной камере. 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.
Недостатком всех рассмотренных технических решений, позволяющих проводить испытания образцов материалов с целью определения прочностных характеристик в условиях отрицательной температуры является способ термического нагружения, при котором отрицательная температура в испытательной камере достигается применением системы подачи жидкого хладоносителя - криогенной жидкости с низкой температурой кипения. Подобные системы предполагают постоянное пополнение запасов хладоносителя, поскольку при фазовом переходе подобного хладоносителя, обратный процесс перехода хладоносителя из газообразной в жидку фазу при проведении испытаний не предусматривается. Таким образом, все вышеперечисленные системы предполагают использование хладоносителей в качестве расходного материала, что требует постоянных затрат на пополнение запаса, отведение дополнительных площадей для хранения запаса жидкого хладоносителя в специальных криостатирующих сосудах, а также повышают риски невозможности осуществления испытаний, в случае, если запас хладоносителя будет исчерпан.
Заявляемая камера низкотемпературная для исследования прочностных свойств материалов позволит решить перечисленные проблемы.
Техническим результатом является повышение автономности работы и снижение эксплуатационных затрат.
Для достижения заявляемого технического результата необходимо решить задачу хладообеспечения без применения криогенных жидкостей. Данная задача решается путем применения в качестве источника холода парокомпрессионной холодильной машины, в которой в качестве рабочего вещества циркулирует смесь хладагентов, что позволяет изготовить камеру компактной, мобильной и автономной, и в то же время обеспечить достижения в камере температуры до минус 70°C.
Заявляемая камера представляет собой мобильную конструкцию с возможностью перемещения с помощью роликов, используемых в качестве опор. Камера низкотемпературная для исследования прочностных свойств материалов состоит из двух блоков - испытательной камеры и машинного отделения, которые могут быть объединены в одно целое рамой-направляющей.
Два корпуса призматической формы, первый из которых, располагаемый наверху, является корпусом испытательной камеры низкотемпературной для исследования прочностных свойств материалов, второй располагаемый внизу, является корпусом машинного отделения. В корпусе испытательной камеры предусмотрены специальные отверстия в сверху и снизу, строго напротив друг друга, обеспечивающие совмещение камеры низкотемпературной для исследования прочностных свойств материалов с тягами нагружающего механизма. В качестве нагружающего механизма предполагается использование машины, обеспечивающей статическое или динамическое нагружение исследуемых образцов. В качестве нагружающего механизма может использоваться, например, универсальная испытательная машина ИР5082-100 (производства экспериментального завода «Импульс», г. Иваново) или подобный нагружающий механизм.
Поперечный разрез камеры низкотемпературной для исследования прочностных свойств материалов, а также разрез нагружающего механизма представлен на Чертеже 1, где:
1 - корпус машинного отделения;
2 - корпус испытательной камеры;
3 - механизм нагружения (пресс);
4 - отверстия для тяг механизма нагружения;
5 - тяги механизма нагружения;
6 - ролики (опоры);
7 - испытательная камера;
8 - машинное отделение;
9 - холодильная машина;
10 - испаритель холодильной машины;
11 - испытуемый образец;
12 - дверь испытательной камеры;
13 - теплоизоляция;
14 - экран испытательной камеры;
15 - жалюзи-воздуховоды;
16 - рама-направляющая;
17 - блок контроля и управления.
18 - радиаторы.
Камера низкотемпературная для исследования прочностных свойств материалов, состоящая из корпуса машинного отделения (1) и корпуса испытательной камеры (2), в которых размещены основные узлы и аппараты, является мобильной конструкцией и перемещается за счет использования в качестве обор корпуса роликов (6).
Корпус испытательной камеры (3) выступает за торцевую поверхность камеры машинного отделения (2) для того, чтобы камера низкотемпературная для исследования прочностных свойств материалов могла быть совмещена с механизмом нагружения (4), в качестве которого используется, например, универсальная испытательная машина ИР5082-100 или подобный нагружающий механизм. При совмещении испытательной камеры низкотемпературной для исследования прочностных свойств материалов с механизмом нагружения (3), тяги механизма нагружения (5) вводятся сквозь корпус испытательной камеры (2) через специальные отверстия для тяг механизма нагружения (4), после чего возможно крепление образца материала для проведения испытаний во внутреннем объеме испытательной камеры (7).
Для точного совмещения тяг механизма нагружения (5) с камерой низкотемпературной для исследования прочностных свойств материалов, предусматривается дополнительная степень свободы, которая достигается обеспечением возможности перемещения корпуса испытательной камеры (2), относительно корпуса машинного отделения (1). Такое перемещение становится возможным при наличии в конструкции рамы-направляющей (16), которые представляют собой «рельсовую» выдвижную систему. При этом для обеспечения возможности изменения взаимного положения камеры и машинного блока предлагается использовать для соединения холодильной машины (9) и испарителя холодильной машины (10) гибкие хладопроводы.
Управление холодильной машиной (9) осуществляется с помощью блока контроля и управления (17), который представляет собой типовой микропроцессорный блок управления. Испаритель холодильной машины (10), расположенный во внутреннем объеме испытательной камеры (7) является воздухоохладителем с принудительной циркуляцией воздуха. Также во внутреннем объеме расположены жалюзи-воздуховоды (15), для оптимального распределения холодных потоков воздуха, чтобы обеспечить эффективное охлаждение исследуемых объектов.
Внутренний объем испытательной камеры (7) изолирован от корпуса испытательной камеры (2) теплоизоляцией (13) и от двери (12) съемным экраном (14), который обеспечивает дополнительную теплоизоляцию внутреннего объема испытательной камеры (7) и снижает теплопритоки.
Для снижения теплопритоков к исследуемым объектам по тягам механизма нагружения на последних размещены радиаторы 18.
Рассмотрим работу камеры низкотемпературной для исследования прочностных свойств материалов.
Камеру низкотемпературную для исследования прочностных свойств материалов перемещают с помощью роликов (6), используемых в качестве опор, для стыковки с механизмом нагружения (3). При необходимости регулируют положение корпуса испытательной камеры (2) относительно корпуса машинного отделения (1) с помощью направляющих (16). Далее через отверстия (4) вводят тяги механизма нагружения (5) во внутренний объем камеры испытательной камеры (7). Крепление испытуемого образца (11) производят до начала работы холодильной машины, или в процессе, при достижении во внутреннем объеме испытательной камеры (7) необходимой отрицательной температуры. Момент размещения образца (11) зависит от конкретной программы испытаний (исследований). До начала нагружения образца (11) производятся замеры габаритных характеристик и, в соответствии с программой или методикой испытаний (исследований) прочие всевозможные измерения.
С помощью блока контроля и управления производится включение холодильной машины (9), в качестве которой предлагается использовать парокомпрессионную холодильную машину, работающую на смеси хладагентов. Смесь хладагентов испаряется в испарителе холодильной машины (10), охлаждаемый воздух распределяется во внутреннем объеме с помощью жалюзи-воздуховодов (15), понижая температуру.
Образец (11) помещается во внутренний объем испытательной камеры (7) через дверь (12), крепится к тягам механизма нагружения (5), после чего между дверцей и внутренним объемом устанавливается экран испытательной камеры (14), дверца закрывается.
Далее включается механизм нагружения (4), который посредством тяг механизма нагружения (5) оказывает воздействие на образец (11), растягивая или сжимая его. Вид, сила, время и динамика нагружения определяется программой или методикой испытаний. По завершении нагружения или в случае разрушения образца, холодильная машина (9) выключается с помощью блока контроля и управления (17). Открывается дверь (12), демонтируется экран (14), и образец (11) извлекается. После извлечения образца производятся повторные измерения, согласно программе или методике испытаний или делается запись о факте разрушения образца при условиях нагружения, обеспеченных камерой низкотемпературной для исследования прочностных свойств материалов.
Подобным образом производится исследование, позволяющее определить свойства конкретных материалов при заданных нагрузках, в сложных климатических условиях, в частности - при температурах до минус 70°C.
Конструкция камеры низкотемпературной для исследования прочностных свойств материалов позволяет легко стыковать низкотемпературную камеру с универсальной испытательной машиной, перемещать ее в рабочем помещении, проводить ремонтно-профилактические работы.
Предполагается, что без больших конструктивных доработок будет возможно использовать разработанную конструкцию низкотемпературной камеры для проведения работ при температурах внутри камеры до минус 150°C.