УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРЕДЕЛЬНОЙ НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ МАТЕРИАЛА

Полезная модель относится к области механических испытании материалов и может быть использована для исследования свойств материалов, используемых в элементах конструкций и механизмов, например судовых гребных валопроводах, дейдвудных подшипниках, материал которых при эксплуатации работает в условиях сложного напряженного состояния.
Известно устройство для испытания трубчатых образцов, где направляющая втулка и нижний захват образуют полый корпус, в котором коаксиально устанавливаются образец, гидроцилиндр со сменной гильзой и поршнем со штоком. Устройство включает также распределитель, резервуар с рабочей жидкостью, запорный вентиль и крышку гидроцилиндра (см. Баженцев Ю.Г. Устройство для испытания трубчатых образцов, Заводская лаборатория №6, с.59-60, 1993 г.).
К недостаткам этого устройства относится то, что с подачей рабочей жидкости во внутреннюю полость испытуемого образца появляется усилие, растягивающее образец в осевом направлении.
Известно также устройство для исследования предельной несущей способности материала, содержащее захватные узлы, выполненные с возможностью фиксации в них концевых участков трубчатых образцов, снабженные хвостовиками, выполненными с возможностью фиксации в захватах разрывной машины, снабженной средством подачи в полость трубчатого образца рабочей жидкости под давлением (см. Бастуй В.Н. Методика оценки статической трещиностойкости материалов при двухосном напряженном состоянии, Заводская лаборатория №7, с.24-25, 1992 г.).
Недостатком такого устройства является то, что при самозатягивающихся конических вкладышах при испытании образца практически невозможно достигнуть синхронного смещения вкладышей по осевому направлению, в результате чего нарушается центральное растяжение образца, он оказывается работающим в условиях внецентренного растяжения. Кроме того материал испытуемого образца в зоне обоймы и самозатягивающихся конических вкладышей испытывает дополнительные сжимающие усилия, влияние которых может оказать существенное влияние на результаты испытаний. К недостаткам относится также то, что с повышением давления во внутренней полости образца появляется осевая растягивающая нагрузка, влияние которой на результаты испытаний устранить при таком исполнении устройства практически невозможно, что приводит к снижению достоверности в оценке предельной несущей способности исследуемого материала.
Задачей, на решение которой направлено предлагаемое техническое решение, является повышение достоверности результатов механических испытаний образцов в условиях плоского напряженного состояния.
Технический результат, который достигается при решении поставленной задачи, выражается в устранении внецентренного растяжения при осевом растяжении образца, снятии сжимающих усилий в расчетной части трубчатого образца, устранении вредного продольного усилия, появляющегося при повышении давления во внутренней полости испытуемого образца.
Поставленная задача решается тем, что устройство для исследования предельной несущей способности материала, содержащее захватные узлы, выполненные с возможностью фиксации в них концевых участков трубчатых образцов, снабженные хвостовиками, выполненными с возможностью фиксации в захватах разрывной машины, снабженной средством подачи в полость трубчатого образца рабочей жидкости под давлением, отличается тем, что концевые участки трубчатых образцов снабжены захватным буртиком, при этом каждый захватный узел выполнен в виде осесимметричного полого дискообразного корпуса, в боковых стенках которого выполнены сквозные окна, при этом стенка корпуса, обращенная к захвату разрывной машины снабжена отверстием, через которое пропущен хвостовик, а стенка, обращенная к трубчатому образцу, снабжена отверстием, диаметр которого больше диаметра захватного буртика, при этом кромка этого отверстия снабжена кольцевым выступом, кроме того устройство снабжено вкладышем, выполненным в виде разрезанного в диаметральной плоскости кольца, внутренний диаметр которого соответствует внешнему диаметру трубчатого образца, а внешний соответствует диаметру отверстия в стенке дискообразного корпуса, при этом вкладыш размещен в названном отверстии с опорой на его кольцевой выступ, кроме того, через одно из окон верхнего захватного узла пропущен трубопровод, конец которого отогнут под углом и жестко скреплен с первым поршнем, снабженным сквозным отверстием, соосным с продольной осью трубчатого образца, при этом в полости трубчатого образца размещен шток, жестко скрепленный со вторым поршнем, причем сквозное отверстие первого поршня и свободный конец штока снабжены резьбой с одинаковыми параметрами, кроме того свободный конец штока выполнен полым, причем его полость сообщена с пространством между первым и вторым поршнями, при этом поршни снабжены уплотнительными манжетами, опертыми на их поверхности, обращенные друг к другу.
Сопоставительный анализ существенных признаков предлагаемого технического решения с существенными признаками аналогов и прототипа свидетельствует о его соответствии критерию «новизна».
Результаты поиска показали, что заявленная полезная модель не вытекает для специалиста явным образом из известного уровня техники, поскольку из уровня техники, определенного заявителем, не выявлено влияние предусматриваемых существенными признаками заявленной полезной модели преобразований, что обеспечивает положительную реакцию на достижение технического результата - устранение внецентренного растяжения при осевом растяжении образца, снятие сжимающих усилий в расчетной части трубчатого образца, устранение вредного продольного усилия, появляющегося при повышении давления во внутренней полости исследуемого образца.
На чертеже показана схема устройства для исследования предельной несущей способности материала.
Устройство для исследования предельной несущей способности материала содержит захватные узлы, выполненные с возможностью фиксации в них концевых участков трубчатых образцов 1, снабженные хвостовиками 2, выполненными с возможностью фиксации в захватах разрывной машины, снабженной средством подачи в полость трубчатого образца 1 рабочей жидкости под давлением, выполненное в виде трубопровода 3. Концевые участки трубчатых образцов 1 снабжены захватным буртиком 4 большего диаметра по отношению к расчетной части образца. Каждый захватный узел выполнен в виде осесимметричного полого дискообразного корпуса 5, в боковых стенках которого выполнены сквозные окна 6. Стенка дискообразного корпуса 5, обращенная к захвату разрывной машины снабжена отверстием 7, через которое пропущен хвостовик 2, а стенка, обращенная к трубчатому образцу 1, снабжена отверстием 8, диаметр которого больше диаметра захватного буртика 4 трубчатого образца 1, при этом кромка этого отверстия 8 снабжена кольцевым выступом 9. Устройство снабжено вкладышем 10, выполненным в виде разрезанного в диаметральной плоскости кольца, внутренний диаметр которого соответствует внешнему диаметру трубчатого образца 1, а внешний соответствует диаметру отверстия 8 в стенке дискообразного корпуса 5, при этом вкладыш 10 размещен в названном отверстии 8 с опорой на его кольцевой выступ 9. Через одно из окон 6 верхнего захватного узла 5 (дискообразного корпуса) пропущен трубопровод 3, конец которого отогнут под углом и жестко скреплен с первым поршнем 11, снабженным сквозным отверстием 12, соосным с продольной осью трубчатого образца 1. В полости трубчатого образца 1 размещен шток 13, жестко скрепленный со вторым поршнем 14, причем сквозное отверстие 12 первого поршня 11 и свободный конец штока 13 снабжены резьбой 15 с одинаковыми параметрами. Свободный конец штока 13 выполнен полым, причем его полость сообщена с пространством между первым 11 и вторым 14 поршнями, посредством отверстия 16. Поршни снабжены уплотнительными манжетами 17, опертыми на их поверхности, обращенные друг к другу.
Сборку устройства и испытание образца на плоское напряженное состояние (например, на двухосное растяжение) выполняют в следующей последовательности.
Хвостовики 2 пропускают через отверстия 7 полых дискообразных корпусов 5 и фиксируют в захватах разрывной машины (на чертеже она не показана).
В полость образца 1 вставляют шток 13 со вторым поршнем 14 и уплотнительными манжетами 17, заполняют эту полость маслом, после чего конец штока 13 вкручивают в отверстие 12 первого поршня 11 (при этом трубопровод 3 уже пропущен через окно 6 верхнего дискообразного корпуса 5 и обеспечивает свободный отвод масла, выдавливаемого при вкручивании штока 13 в отверстие 12 первого поршня 11). Затем шток 13 с поршнем 11 и уплотнительными манжетами 17 сдвигают в середину расчетной части испытуемого образца, чтобы поршни 11 и 14 были одинаково удалены от концов образца 1. Концевые участки трубчатого образца 1 снабженные захватным буртиком 4 пропускают через кольцевые выступы 9 отверстий 8 полых дискообразных корпусов 5 после чего, в отверстиях размещают вкладыши 10 (вставляя их половинки в отверстие с образованием единого кольца опирающегося на поверхность выступа 9). Далее обеспечивают возможность проскальзывания образца 1 вниз в верхнем дискообразном корпусе 5 и соответственно проскальзывание вниз по образцу 1 нижнего дискообразного корпуса 5. Далее трубопровод 3 соединяют с источником масла и в полость образца 1 по трубопроводу 3 прокачивают масло до полного удаления воздуха из нее и маслоподающей системы.
От масляного насоса (на чертеже не показан) по трубопроводу 3 и проходному каналу в штоке 13 масло нагнетается во внутреннюю полость образца 1. При наличии в полости избыточного давления q стенка испытуемого образца 1 оказывается растянутой в тангенциальном направлении. Осевое усилие, появляющееся при этом, воспринимается штоком 13, соединяющим поршни 11 и 14. Необходимое растяжение образца 1 в осевом направлении обеспечивают разрывной машиной, усилие от которой передается на образец 1 через хвостовик 2 и осесимметричный полый дискообразный корпус 5.
При выполнении опытов одновременное ступенчатое нагружение образца осевой силой Р и избыточным давлением q выполняется при неизменном отношении
q
τ
где σ - напряжение от осевого растяжения; σ - напряжение от тангенциального растяжения. Соответствующие значения напряжений вычисляются по формулам:
н
в
Здесь d и d - наружный и внутренний диаметр образца соответственно.
При испытании образца на двухосное растяжение опыт выполняется в следующей последовательности.
Назначают значения отношения n и выбираются ступени нагружения образца избыточным давлением q. Согласно формулам (1)-(3) подсчитывают соответствующее значение осевой растягивающей силы Р. Далее выполняют плавное ступенчатое нагружение образца заданными Р и q вплоть до момента разрушения образца. В момент разрушения фиксируют достигнутые значения осевой растягивающей силы и избыточного давления.
По формулам (2) и (3) подсчитывают соответствующие напряжения, отвечающие случаю предельного состояния материала.
Была проведена серия испытаний на двухосное растяжение трубчатых образцов, изготовленных из стали 40ХН в состоянии поставки. Испытание образцов выполнялось при значениях n, равных 0,45; 0,75; 1,87 и 2,63. Для каждого значения n опыт повторялся трижды. Данные этих испытаний представлены в таблице. Там же приведены значения предельных напряжений, полученных при испытании трубчатых образцов на одноосное растяжение: осевое (при n=) и тангенциальное (при n=0). Эти испытания подтвердили надежную работоспособность предлагаемого устройства, а также лучшее согласование опытов при оценке предельного состояния стали 40ХН, выполняемой согласно теории наибольших касательных напряжений.
Таблица.Основные результаты испытаний трубчатых образцов
№ образца
Размеры образца в мм
Отношение
Осевое усилие и давление в момент разрушения образца
Напряжение в момент разрушения образца
Предельные напряжения, соответствующие теории наибольших касательных напряжении, МПа
Предельные напряжения, соответствующие энергетической теории прочности, МПа
dH, мм
dB, мм
Р, кН
q, МПа
σ<sub>0</sub>, МПа
σ<sub>τ</sub>, МПа
1
21
20
0,45
11,1
38,2
34,4
76,4
76,4
66
2
21
20
0,45
11,2
38,6
34,7
77,2
77,2
67
3
21
20
0,45
11,2
38,4
34,7
76,8
76,8
66,7
4
21
20
0,75
18,70
38,7
58
75,4
77,4
70
5
21
20
0,75
18,90
39,1
58,6
78,2
78,2
70,5
6
21
20
0,75
18,7
38,7
58,2
77,6
77,6
70
7
21
20
1,87
25,10
20,9
78,1
41,8
78,1
67,5
8
21
20
1,87
28,50
21,1
79,2
42,4
79,2
68,6
9
21
20
1,87
25,70
21,4
79,9
42,8
79,9
69,2
10
21
20
2,63
25,10
14,8
78
29,6
78
68,3
11
21
20
2,63
25,20
14,9
78,8
29,8
78,3
68,5
12
21
20
2,63
25,30
14,9
78,5
29,8
78,5
68,5
13
21
20
25,20
0
78,4
0
14
21
20
25,50
0
79,2
0
15
21
20
25,30
0
78,6
0
16
21
20
0
0
38,1
0
76,2
17
21
20
0
0
37,7
0
75,7
18
21
20
0
0
37,9
0
75.8