УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ГОРЯЧЕЙ ДЛИТЕЛЬНОЙ ТВЕРДОСТИ ТЕПЛОУСТОЙЧИВЫХ СТАЛЕЙ

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Полезная модель относится к области определения механических характеристик теплоустойчивых сталей при высокой температуре. Более конкретно, полезная модель относится к устройству для определения горячей длительной твердости теплоустойчивых сталей методом индентирования, и может использоваться на тепловых электростанциях для контроля состояния оборудования.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Известно устройство для определения длительной горячей твердости (МУ 34-70-082-84, РД 34.17.411, СО 34.17.411 Методические указания по определению длительной прочности теплоустойчивых сталей методом горячей длительной твердости // М.: СПО Союзтехэнерго, 1985. 8 с.). Известное устройство реализует метод измерения горячей длительной твердости теплоустойчивых сталей при температуре 500-600 °С и взаимосвязь этой твердости с длительной прочностью. Для проведения испытания используется твердомер типа ТШ, дополнительно оснащенный специальным устройством ВТИ, состоящим из: удлинителя для закрепления индентора, предметного стола из жаропрочной стали типа Х18Н12Т по ГОСТ 11068-81, устройства для выдержки образца под нагрузкой, электропечи для нагрева образца.
К недостаткам указанного устройства относится необходимость при каждом измерении отводить нагревательную электропечь от образца и индентора, производить перемещение образца на свободный участок для произведения следующего измерения. Количество измерений на одном образце должно быть не менее трех. Кроме того, снижается точность первого измерения горячей твердости вызванное разностью температур нагретого до рабочей температуры образца и индентора, находящегося при комнатной температуре.
Известно также устройство высокотемпературного микро- и наноиндентирования в вакуумной среде (CN 106404574 A, опубликовано 15.02.2017, 34 с.). Устройство содержит опорную плиту, нагревательную печь, установленную на опорной плите посредством двух опорных ножек, мраморную опору, установленную на опорной плите. На мраморной опоре установлен блок вертикального перемещения жаропрочного нажимного стержня, в котором закреплен жаропрочный нажимной стержень, выполненный с возможностью закрепления на нем индентора, причем жаропрочный нажимной стержень проходит внутрь печи через выполненное в ее верхней стенке отверстие. На опорной плите также размещен неподвижный держатель поворотной головки, на котором установлен с возможностью вращения жаропрочный предметный стол из оксида алюминия, который введен внутрь печи через отверстие в ее нижней стенке. Жаропрочный предметный стол также выполнен с возможностью вращения за счет эксцентрикового механизма смены точек испытания, который, после проведения испытания в одной точке образца, вращает жаропрочный стол с установленным на нем образцом вокруг вертикальной оси на заданный угол для установки новой точки измерения прочности. При необходимости выполнения измерения твердости в нескольких точках, выполняется поворот на заданный угол несколько раз и вдавливание индентора по оси аппликат Z.
Известное техническое решение позволяет получать отпечатки только по дуге, представляющей часть или полную окружность установленного радиуса, при этом на образце может быть получено ограниченное количество отпечатков индентора, зависящее от угла поворота и диаметра индентора, в связи с чем такое решение имеет недостаток, выраженный в невозможности проведения длительных серий измерений или множества серий измерений на одном образце без раскрывания печи для переустановки образца.
РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ
Задачей настоящей полезной модели является обеспечение возможности более эффективного использования площади испытуемого образца, что позволит проводить длинные серии измерений или множество серий измерений на одном образце без необходимости раскрывания нагревательной печи, а также повышение производительности испытаний, поскольку уменьшается время на нагрев образца и охлаждение печи и исключается операция переустановки индентора на свободный участок при открывании створок нагревательной печи.
Указанная техническая задача решена предлагаемым устройством для измерения горячей длительной твердости теплоустойчивых сталей, содержащим опорную плиту, предметный стол для размещения испытуемого образца, имеющий опорную ножку, установленную на опорной плите, и нагревательную печь, имеющую нагревательную камеру, в которой выполнено верхнее отверстие и нижнее отверстие, соосное верхнему отверстию. Нагревательная печь закреплена на кронштейне, установленном на опорной плите, а опорная ножка проходит через нижнее отверстие в камере так, что предметный стол расположен в нагревательной камере. Устройство также содержит нагрузочное приспособление, которое содержит опору, установленную неподвижно относительно опорной плиты, механизм перемещения индентора и установленный на нем индентор, причем механизм перемещения индентора расположен на опоре и выполнен с возможностью вертикального перемещения индентора через верхнее отверстие нагревательной камеры, и механизм перемещения предметного стола. Устройство отличается тем, что опорная плита имеет первую пару отстоящих друг от друга направляющих пазов и вторую пару отстоящих друг от друга направляющих пазов, при этом первая пара пазов проходит поперечно второй паре пазов с образованием рабочей области опорной плиты, ограниченной пересекающимися парами пазов, опорная ножка предметного стола установлена в рабочей области опорной плиты, а механизм перемещения предметного стола выполнен с возможностью линейного перемещения опорной ножки предметного стола по указанной рабочей области опорной плиты, при этом устройство также отличается тем, что оно содержит верхнюю и нижнюю теплоудерживающие прокладки, установленные соответственно в верхнем и нижнем отверстиях нагревательной камеры с обеспечением предотвращения распространения тепла наружу из нагревательной камеры.
Технический результат, обеспечиваемый предлагаемым техническим решением, заключается в обеспечении возможности проведения за одну установку испытуемого образца большего количества измерений без раскрывания печи для переустановки на свободный участок образца или установки другого образца, что позволяет повысить точность измерения горячей твердости. Кроме того, предлагаемое техническое решение позволяет предотвратить охлаждение индентора и исключить влияние изменения температуры в зоне контакта на погрешность измерения при необходимости осуществления большого количества измерений. Кроме того, предлагаемое техническое решение позволяет повысить производительность испытаний, поскольку уменьшается время на нагрев образца и охлаждение печи и исключается операция переустановки индентора на свободный участок при открывании створок нагревательной печи. Еще один достигаемый технический результат заключается в более эффективном использовании площади испытуемого образца для получения необходимого количества отпечатков индентора при измерении твердости теплоустойчивых сталей при различных температурах.
В предпочтительном варианте осуществления предметный стол устройства имеет неподвижно закрепленное на опорной ножке кольцо опорной ножки, а указанная возможность линейного перемещения опорной ножки предметного стола по указанной рабочей области опорной плиты обеспечена тем, что механизм перемещения предметного стола содержит первый ходовой винт, расположенный поперечно первой паре направляющих пазов и проходящий между пазами первой пары направляющих пазов, и первую направляющую, расположенную продольно первой паре направляющих пазов и проходящую между пазами второй пары направляющих пазов, второй ходовой винт, расположенный поперечно второй паре направляющих пазов и проходящий между пазами второй пары направляющих пазов, и вторую направляющую, расположенную продольно второй паре направляющих пазов и проходящую между пазами первой пары направляющих пазов, причем опорная ножка предметного стола расположена между указанными ходовыми винтами и направляющими. Механизм перемещения предметного стола также содержит пару буксовых узлов первого ходового винта, выполненных с обеспечением возможности свободного поворота в них первого ходового винта и расположенных в соответствующих направляющих пазах первой пары направляющих пазов с возможностью продольного перемещения в этих пазах, пару буксовых узлов второго ходового винта, выполненных с обеспечением возможности свободного поворота в них второго ходового винта и расположенных в соответствующих направляющих пазах второй пары направляющих пазов с возможностью продольного перемещения в этих пазах, привод первого ходового винта, выполненный с возможностью поворота первого ходового винта и привод второго ходового винта, выполненный с возможностью поворота второго ходового винта. Первая и вторая направляющие содержат по паре опор, пара опор первой направляющей неподвижно соединены с первой направляющей и расположены в соответствующих направляющих пазах второй пары направляющих пазов с возможностью продольного перемещения в этих пазах, пара опор второй направляющей неподвижно соединены со второй направляющей и расположены в соответствующих направляющих пазах первой пары направляющих пазов с возможностью продольного перемещения в этих пазах. Механизм перемещения предметного стола также содержит первый подвижный суппорт, установленный на первом ходовом винте с возможностью преобразования вращательного движения первого ходового винта в поступательное движение суппорта, при этом первый подвижный суппорт также соединен с кольцом опорной ножки, и второй подвижный суппорт, установленный на втором ходовом винте с возможностью преобразования вращательного движения второго ходового винта в поступательное движение суппорта, при этом второй подвижный суппорт также соединен с кольцом опорной ножки. Кроме того, в состав механизма перемещения предметного стола согласно указанному предпочтительному варианту реализации входит первая опорная втулка, расположенная на первой направляющей противоположно второму подвижному суппорту с возможностью скользящего перемещения по первой направляющей, при этом первая опорная втулка соединена с кольцом опорной ножки, и вторая опорная втулка, расположенная на второй направляющей противоположно первому подвижному суппорту с возможностью скользящего перемещения по второй направляющей, при этом первая опорная втулка соединена с кольцом опорной ножки.
В еще одном предпочтительном варианте осуществления устройства первый и второй ходовые винты образуют с первым и вторым подвижным суппортом роликовинтовые передачи.
В еще одном предпочтительном варианте осуществления устройства первый и второй приводы ходового винта имеют измеритель углового положения ходового винта.
В еще одном предпочтительном варианте осуществления устройства первый и второй приводы ходового винта представляют собой ручные приводы.
В еще одном предпочтительном варианте осуществления устройства первый и второй приводы ходового винта представляют собой электрические приводы.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Далее приведено описание настоящей полезной модели на примере варианта ее реализации со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:
Фиг. 1 иллюстрирует вид сбоку устройства для измерения горячей длительной твердости теплоустойчивых сталей согласно предпочтительному варианту реализации настоящей полезной модели;
Фиг. 2 иллюстрирует вид сверху устройства для измерения горячей длительной твердости теплоустойчивых сталей согласно предпочтительному варианту реализации настоящей полезной модели;
Фиг. 3а иллюстрирует приведенный в качестве примера испытуемый образец с отпечатками индентора, нанесенными на него в результате измерения горячей длительной твердости с помощью устройства согласно предпочтительному варианту реализации настоящей полезной модели;
Фиг. 3б иллюстрирует приведенный в качестве примера образец с отпечатками индентора, нанесенными на него в результате измерения горячей длительной твердости, с помощью устройства, известного из уровня техники;
Фиг. 4 иллюстрирует кинематическую схему получения отпечатков на исследуемом образце с использованием устройства, известного из уровня техники.
На чертежах одни и те же элементы имеют одинаковые числовые обозначения.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ
На фиг. 1 и 2 представлены соответственно вид сбоку и вид сверху устройства для измерения горячей длительной твердости теплоустойчивых сталей согласно предпочтительному варианту реализации настоящей полезной модели. Указанное устройство содержит опорную плиту 5, на которой установлен кронштейн (не показан) с прикрепленной к нему нагревательной печью 7. Нагревательная печь 7 имеет нагревательную камеру, в которой выполнено верхнее отверстие и нижнее отверстие, соосное верхнему отверстию. Верхнее и нижнее отверстия нагревательной печи 7 закрыты теплоудерживающими прокладками 8, 9, предотвращающими распространение тепла наружу из нагревательной камеры. Устройство также содержит предметный стол 3 для размещения испытуемого образца 1, имеющий опорную ножку 2, установленную на опорной плите 5 с возможностью скольжения. Нижняя часть опорной ножки 2 в месте контакта ножки с опорной плитой 5 может иметь расширение для повышения устойчивости ножки. Верхняя часть опорной ножки 2 проходит через нижнее отверстие в камере так, что предметный стол 3 расположен в нагревательной камере. Устройство также содержит нагрузочное приспособление, имеющее опору, установленную неподвижно относительно опорной плиты, и включающее в себя механизм перемещения индентора с установленным в нем индентором 6, причем указанный механизм перемещения индентора обеспечивает возможность вертикального перемещения индентора через верхнее отверстие нагревательной камеры.
Предметный стол 3 устройства выполнен с возможностью линейного перемещения в горизонтальной плоскости по двум координатам в пределах рабочей области опорной плиты 5, образованной пересечением двух пар 15, 33 пазов, выполненных в опорной плите 5, причем пазы каждой пары 15, 33 отстоят друг от друга.
Прокладки 8, 9 выполнены с возможностью прохождения через них нажимного стержня механизма перемещения индентора, удерживающего индентор 6, и опорной ножки 2 предметного стола таким образом, что верхняя прокладка 8 образует с нажимным стержнем плотное соединение, сохраняющееся при перемещении индентора 6, а размеры и расположение нижней прокладки 9 выбраны таким образом, что она закрывает нижнее отверстие нагревательной камеры при любом перемещении предметного стола внутри нагревательной камеры, обеспечивая возможность предотвращения распространения тепла наружу из нагревательной камеры.
Перемещение предметного стола устройства обеспечено посредством механизма перемещения предметного стола, содержащего первый ходовой винт 10, расположенный поперечно первой паре 15 направляющих пазов и проходящий между пазами первой пары 15 направляющих пазов, и первую направляющую 21, расположенную продольно первой паре 15 направляющих пазов и проходящую между пазами второй пары 33 направляющих пазов, а также второй ходовой винт 17, расположенный поперечно второй паре 33 направляющих пазов и проходящий между пазами второй пары 33 направляющих пазов, и вторую направляющую 30, расположенную продольно второй паре 33 направляющих пазов и проходящую между пазами первой пары 15 направляющих пазов. В пазах первой пары 15 направляющих пазов расположены буксовые узлы 11, 12 первого ходового винта 10, в которых указанный первый ходовой винт 10 может свободно вращаться при приведении его в действие приводом 14 первого ходового винта, а в пазах второй пары 33 направляющих пазов расположены буксовые узлы 18, 19 второго ходового винта 17, в которых указанный второй ходовой винт 17 может свободно вращаться при приведении его в действие приводом 16 второго ходового винта. Также в пазах второй пары 33 направляющих пазов расположены опоры 22, 23 первой направляющей 21, а в пазах первой пары 15 направляющих пазов расположены опоры 29, 31 второй направляющей 30, неподвижно соединенные со своими соответствующими направляющими 21, 30. При этом буксовые узлы 11, 12, 18, 19 и опоры 22, 23, 29, 31 направляющих содержат ограничивающие штифты 27, которые с минимальным зазором входят в направляющие пазы и обеспечивают возможность перемещения буксовых узлов 11, 12, 18, 19 и опоры 22, 23, 29, 31 по направляющим пазам. Ограничивающие штифты 27 также могут быть выполнены с возможностью предотвращения перемещения буксовых узлов 11, 12, 18, 19 и опор 22, 23, 29, 31 по вертикали, для чего штифты имеют выступы, входящие в выемки, выполненные по всей длине направляющих пазов.
На первом ходовом винте 10 и втором ходовом винте 17 установлены первый подвижный суппорт 13 и второй подвижный суппорт 20, которые при вращении соответствующих винтов 10, 17 поступательно движутся по указанным винтам 10, 17. Перемещение подвижных суппортов 13, 20 по ходовым винтам 10, 17 может быть обеспечено за счет образования роликовинтовых или шариковинтовых передач, что позволяет с высокой точностью определить длину перемещения. На первой направляющей 21 и второй направляющей 30 противоположно первому суппорту 13 и второму суппорту 20 расположены соответственно вторая опорная втулка 32 и первая опорная втулка 24 с возможностью перемещения по своей соответствующей направляющей. Каждый суппорт 13, 20 и каждая опорная втулка 24, 32 жестко соединены с кольцом 26, неподвижно закрепленным на опорной ножке 2 предметного стола, посредством поводков 25, выполненных в виде коротких стержней. Поводки 25 предназначены для передачи движения от подвижных суппортов опорной ножке. Поводки 25 соединены с суппортами посредством разъемных соединений типа «ласточкин хвост», что облегчает сборку устройства. Таким образом, при приведении в действие первого ходового винта 10 или второго ходового винта 17 с помощью привода 14 первого ходового винта или привода 16 второго ходового винта соответственно обеспечено перемещение кольца 26, взаимодействующего с ходовыми винтами 10, 17 и направляющими 21, 30 посредством подвижных суппортов 13, 20 и опорных втулок 24, 32, и, соответственно, предметного стола 3 в пределах рабочей области опорной плиты 5 для смены точки испытания на образце.
Для точного определения перемещения предметного стола 3 с установленным на нем образцом 1 при установке новых точек измерения без раскрытия нагревательной печи 7 привод 14 первого ходового винта и привод 16 второго ходового винта снабжены измерителем углового положения ходового винта. Привод 14 первого ходового винта и привод 16 второго ходового винта могут быть ручными приводами. В альтернативном варианте реализации устройства указанные приводы 14, 16 могут быть электрическими приводами.
Устройство для измерения горячей длительной твердости теплоустойчивых сталей работает следующим образом.
Испытуемый образец 1, имеющий размеры Хо, Уо, устанавливается на предметный стол 3 таким образом, чтобы индентор 6 находился над начальными координатами Хн, Ун. При этом на отсчетных устройствах приводов 14, 16 ходовых винтов устанавливаются нулевые значения Xi = 0, Yi = 0. Начало координат может располагаться, например, в левом нижнем углу образца 1. При необходимости начало координат может располагаться в других точках испытуемого образца 1.
Нагревательная печь 7 закрывается, и начинается процесс термостатирования до рабочей температуры, при этом индентор 6 и испытуемый образец 1 находятся внутри нагревательной камеры при одинаковой температуре. Верхняя и нижняя теплоудерживающие прокладки 8, 9 препятствуют распространению тепла наружу из нагревательной камеры нагревательной печи 7.
При достижении рабочей температуры внутри нагревательной камеры нагревательной печи 7 к индентору 6 прикладывается заданная нагрузка, и происходит воздействие на испытуемый образец 1 в течение заданного времени.
При достижении заданного времени испытания нагрузка снимается с индентора 6 и он отводится на минимальное расстояние вверх например, Zo = 1 мм. При помощи приводов 14, 16 ходовых винтов производится вращение ходовых винтов 10, 17 воздействующих на подвижные суппорты 13, 20, которые начинают перемещаться по координатам Х и У соответственно. Подвижные суппорты 13, 20, соединенные поводками 25 с кольцом 26, жестко закрепленным на ножке 2 предметного стола, воздействуют на указанное кольцо 26 для его перемещения, что приводит также к перемещению предметного стола 1.
При вращении привода 14 ходового винта 10 происходит перемещение переднего и заднего подвижных буксовых узлов 18, 19 и опор 22, 23 направляющей 21 в пазах второй пары 33 направляющих пазов опорной плиты 5 и, таким образом, перемещение ножки 2 предметного стола по координате Х.
При вращении привода 16 ходового винта 17 происходит перемещение переднего и заднего подвижных буксовых узлов 11, 12 и опор 29, 31 направляющей 30 и, соответственно, ножки 2 предметного стола в пазах первой пары 15 направляющих пазов опорной плиты 5 по координате У.
Таким образом, выполняется необходимое количество перемещений по заранее заданным координатам для выполнения нужного количества измерений.
Последовательно выполняя операции нагружения индентора 6, воздействия на образец в течение заданного времени, отвода индентора 6, перемещения предметного стола 3 с установленным испытуемым образцом 1 на заданное расстояние, получают заданное количество отпечатков индентора 6 без раскрывания нагревательной печи 7 и непроизводительных потерь времени на поддержание нужной температуры.
Пример испытуемого образца с заданным числом отпечатков и их координатами приведен на фиг. 3а. На фиг. 3б для сравнения показан образец с отпечатками, полученными при помощи устройства, известного из уровня техники (патент CN 106404574 A), в соответствии с кинематической схемой получения отпечатков, показанной на фиг. 4. Из схемы на фиг. 4 видно, что при круговом перемещении образца (обозначенного на схеме как «ОБР») на предметном столе посредством эксцентрикового механизма точек испытания отпечатки могут быть получены только по дуге, представляющей часть окружности установленного радиуса, после чего печь необходимо раскрывать и менять образец, либо менять его расположение на предметном столе. Таким образом, на образце можно получить лишь ограниченное количество отпечатков. Однако измерение горячей длительной твердости образца может проводиться при различных нагрузках (например, 2500 Н, 5000 Н и 7500 Н), при различных значениях времени выдержки образца под нагрузкой (например, 30 секунд, 5 минут, 50 минут, 3 часа), при различных значениях температуры, причем количество отпечатков, полученных после каждого изменения параметра измерения, должно быть не меньше трех. Таким образом, количество отпечатков, получаемых в ходе одной серии измерений, может составлять по меньшей мере 36. Следует понимать, что может существовать необходимость получения и большего количества отпечатков, при этом в случае, когда для продолжения серии испытаний требуется установить новый образец, точность измерения горячей длительной твердости может снижаться, поскольку новый образец может иметь, например, другую шероховатость поверхности по сравнению с предыдущим образцом, что повлияет на размер отпечатка и, следовательно, на результат измерения. Кроме того, для перестановки образца необходимо раскрывание печи с неизбежным ее расхолаживанием, которое приведет также к снижению температуры индентора. Однако размеры отпечатков, полученных с использованием нагретого и охладившегося индентора при прочих равных условиях, отличаются, что также снижает точность измерений. Таким образом, проведение полной серии испытаний на одном образце без раскрытия печи повышает точность измерений за счет исключения случайной погрешности. Сравнение фиг. 3а и 3б показывает, что устройство согласно предлагаемой полезной модели обеспечивает возможность выполнения большего количества измерений на одном образце без необходимости раскрытия печи за счет возможности линейного перемещения образца по двум координатам, а, следовательно, повышает точность определения горячей длительной твердости.
Список ссылочных обозначений:
1 - испытуемый образец;
2 - опорная ножка;
3 - предметный стол;
5 - опорная плита;
6 - индентор;
7 - нагревательная печь;
8 - верхняя прокладка;
9 - нижняя прокладка;
10 - первый ходовой винт;
11 - передний буксовый узел первого ходового винта;
12 - задний буксовый узел первого ходового винта;
13 - первый подвижный суппорт;
14 - привод первого ходового винта;
15 - первая пара направляющих пазов;
16 - привод второго ходового винта;
17 - второй ходовой винт;
18 - передний буксовый узел второго ходового винта;
19 - задний буксовый узел второго ходового винта;
20 - второй подвижный суппорт;
21 - первая направляющая;
22, 23 - опоры первой направляющей;
24 - первая опорная втулка;
25 - поводки;
26 - кольцо опорной ножки;
27 - ограничивающие штифты;
29, 31 - опоры второй направляющей;
30 - вторая направляющая;
32 - вторая опорная втулка;
33 - вторая пара направляющих пазов.