УСТАНОВКА ДЛЯ ИСПЫТАНИЙ НА УСТАЛОСТЬ ПЛОСКИХ ОБРАЗЦОВ ПРИ ИЗГИБЕ

Полезная модель относится к машиностроению, к испытательной технике: к устройствам для испытания на усталость плоских образцов при изгибе.
Стандартные испытания материалов на усталость обычно проводятся при испытаниях цилиндрических образцов. При этом образец вращается в условиях воздействия изгибающего момента (часто рассматриваются условия чистого изгиба, когда в различных сечениях рабочей части образца изгибающий момент имеет одно и то же значение). Поверхность образца полируется. Этот режим нагружения неприемлем для определения усталостных характеристик листовых материалов по ряду причин. В частности, листовой материал может быть тонким, из него сложно (или невозможно) изготовить стандартный цилиндрический образец нужного диаметра. У листового материала свойства поверхностного слоя могут существенно отличаться от свойств материала в других зонах и т.п. Поэтому требуется испытывать плоские образцы, вырезанные из листового материала.
Известна машина для испытаний на усталость консольных образцов на изгиб в одной плоскости, ее схема показана на рис. 2.3 на стр. 33 в книге (см. книгу: Серенсен СВ., Гарф М.Э., Кузьменко В.А. Динамика машин для испытаний на усталость. М.: Машиностроение, 1967, 460 с). Об этой машине в указанной выше книге на стр. 33 сказано следующее. На рис. 2.3 изображена силовая схема машины для испытания плоских образцов на переменный изгиб в одной плоскости. Нагружаемая система машины состоит из консольного динамометра, жестко закрепленного в станине, и образца, укрепленного на свободном конце динамометра при помощи зажимного устройства. Динамические перемещения конца нагружаемой системы создаются шатуном и кривошипным механизмом. Изменение развиваемых нагрузок достигается путем регулирования радиуса кривошипа при остановке машины. Воспринимаемые образцом нагрузки определяются с помощью зеркала, укрепленного на зажимном устройстве и отражающего луч света от лампочки на шкалу. Длина наблюдаемой на шкале светлой полосы пропорциональна прогибу конца динамометра, следовательно, и величине изгибающего момента.
Совпадающими признаками данной машины и заявляемой установки являются следующие. Конец плоского образца жестко закрепляется в зажимном устройстве. Причем одно зажимное устройство связано с консольной стойкой, которая одновременно выполняет роль динамометра. Колебания системы возбуждаются кривошипным механизмом через шатун и шарнир. Нагруженность образца регулируется при остановке машины путем изменения радиуса кривошипа.
Недостатки данной машины заключаются в следующем. Эта испытательная машина предназначена для испытания только одного образца.
Известен «Стенд для исследования поведения стали при циклическом нагружении» (см. стр. 491, 492 и рис. на стр. 491 в журнале «Заводская лаборатория», 1973, №4), этот стенд принят в качестве прототипа. Стенд состоит из двух установок, имеющих общий привод. Одна из них предназначена для определения долговечности, а вторая - для исследования закономерностей зарождения и распространения усталостных трещин. Испытания на долговечность можно проводить при одновременном циклическом изгибе десяти плоских образцов. Одним из концов каждый образец жестко закреплен в индивидуальной неподвижной колодке, установленной на плите; вторые концы образцов входят в пазы подвижных колодок, закрепленных на штоке. Шток получает возвратно-поступательное движение от шатунно-эксцентрикового узла, преобразующего вращательное движение шпинделя. При перемещении штока образец нагружается регулировочными винтами подвижных колодок.
Амплитуду изгиба можно измерять индикатором по перемещению штока или измерительным микроскопом. Асимметрию цикла нагружения можно изменять перестановкой колодок на штоке или регулировкой винтов.
На установке имеется блок автоматики (блок управления). Все образцы включены последовательно в низковольтную электрическую цепь. Поломка любого образца приводит к разрыву этой цепи, через систему реле отключается электродвигатель и электрочасы, срабатывает сигнализация.
-1
Одновременно можно испытывать 10 образцов с амплитудой изгиба до 5 мм при любой асимметрии цикла нагружения. Частота нагружения 24 сек. Предпочтительный размер образцов 2,5×12×70 мм.
Совпадающими признаками этого устройства и заявляемой установки являются следующие. Установка позволяет одновременно испытывать несколько плоских образцов на усталость при изгибе. Нагружение образцов осуществляется путем возвратно-поступательного движения штока, который взаимодействует с захватами для крепления образцов. Возвратно-поступательное движение шток получает от шатунно-эксцентрикового узла.
Недостатки этого устройства заключаются в следующем. Такая схема установки для испытания образцов не дает возможности для каждого образца непрерывно записывать на ЭВМ значение циклической нагрузки.
Задача полезной модели заключается в обеспечении одновременного испытания нескольких образцов при консольном изгибе с возможностью измерения и записи на ЭВМ нагрузки, прикладываемой к каждому образцу.
Данная задача решается тем, что при консольном изгибе концевая часть каждого образца крепится к стойке, закрепленной на основании, на которой установлен датчик, служащий для замера нагрузки при изгибе образца. При консольном изгибе на штоке крепится приспособление в виде толстого диска, по ободу которого сделана круговая канавка, служащая для шарнирного опирания устройства, служащего для крепления другой концевой части образца.
Сущность полезной модели заключается в обеспечении возможности одновременного испытания нескольких образцов при условии, что для каждого образца значение циклической нагрузки непрерывно записывается на ЭВМ, что позволяет для каждого образца определить время до появления усталостной трещины и время роста трещины.
На фиг. 1 показана схема установки, подготовленной для испытаний образцов при консольном изгибе (вид сбоку, на фиг. 1 показана схема при условии изображения одного образца, чтобы не загромождать рисунок).
На фигуре 1 обозначены следующие элементы.
1 - испытуемый образец.
2 - фигурная стойка (далее называется: стойка), которая неподвижно закреплена на основании. На этой стойке установлен датчик 3 нагрузки образца при его изгибе (например, наклеен тензодатчик), который служит для замера усилия и преобразования замеряемой величины в электрический сигнал, который может быть записан в память вычислительной машины.
3 - датчик нагрузки образца при его изгибе (например, наклеенный тензодатчик), который служит для замера усилия и преобразования замеряемой величины в электрический сигнал, который может быть записан в память вычислительной машины.
4 - шатун кривошипного механизма.
5 - шток, который движется поступательно (возвратно-поступательно) вдоль направляющей при работе кривошипного механизма. (На фиг. 1 между штоком 5 и ответными деталями условно показан зазор, но фактически шток 5 должен двигаться возвратно-поступательно вдоль направляющей с минимальным «люфтом».)
6 - диск, по ободу которого сделана круговая канавка, предназначенная для шарнирного взаимодействия с концевой частью образца 1, закрепленного на стойке 2 (точнее, к концевой части образца 1 крепятся детали 9 и 10, с помощью которых осуществляется указанное выше шарнирное взаимодействие).
7 - накладка, обеспечивающая жесткое крепление концевой части образца 1 к стойке 2 с помощью винта 8.
8 - винт, с помощью которого накладка 7 крепится к стойке 2, обеспечивая жесткое крепление концевой части образца 1 к стойке 2.
9 - зажим (захватный элемент), жестко закрепляемый на концевой части образца 1, снабженный установленным на оси роликом, размещаемым в рабочем состоянии установки в канавке обода диска 6 (ролик 10 обеспечивает шарнирное взаимодействие с деталью 6).
10 - ролик (роликовая опора), установленный на оси (см. фиг. 1), установленной на элементе 9, служащий для обеспечения шарнирного взаимодействия с деталью 6.
Если требуется осуществлять несимметричный цикл нагружения, то после установки и закрепления образца 1 путем смещения деталей задается начальный изгибающий момент образца 1.
Фактически такая схема нагружения обеспечивает при циклическом нагружении постоянную амплитуду перемещения соответствующих деталей (предполагается, что люфты малы, шток 5 движется строго поступательно вдоль направляющей и разрушение отдельных образцов не вносит заметных изменений в режим нагружения других образцов). При этом, для каждого образца, значение циклической нагрузки непрерывно записывается на ЭВМ, что позволяет определить время до появления усталостной трещины и время роста трещины. (Появление усталостных трещин сопровождается падением величины нагрузки.)
Образцы 1 для испытаний на консольный изгиб могут иметь разную форму, очертание образцов может быть фигурным, одно из основных требований к форме образцов заключается в том, чтобы обеспечивалось разрушение образцов в рабочей зоне.
Подготовка к испытаниям и работа установки при изгибе консольных образцов (см. фиг. 1) осуществляется следующим образом. На шток 5 устанавливают деталь 6. Сначала высота крепления детали 6 к штоку 5 определяется эмпирически (при необходимости затем будет сделана «поправка»). К основанию крепят стойки 2. Предполагается, что тензодатчик 3 (или другой датчик) оттарирован. Если он не оттарирован, то проводится его тарировка (или проверка). С помощью накладки 7, винта 8 и зажима (захватного элемента) 9 устанавливают образец 1 так, чтобы ролик 10 обеспечивал шарнирное взаимодействие с деталью 6. Датчик 3 подключают к ЭВМ. Вращая кривошипный механизм вручную и, при необходимости, регулируя величину плеча крепления рычага 4 к шатунному механизму, смещая элемент 6 относительно штока 5, добиваются, чтобы датчик 3 показывал требуемые значения нагрузки (цикл нагружения может быть симметричным, или иметь постоянную составляющую, на которую накладывается переменная составляющая). Предполагается, что размеры образца 1, высота детали 2, зона ее крепления к основанию и размеры других деталей заранее подобраны так, что обеспечивается возможность сбора деталей установки по схеме, указанной на фиг. 1.
В том числе, предполагается, что расстояние между стойкой 2 и штоком 5 отрегулировано так, что обеспечивается установка образца 1 заданных размеров и стойка 2 неподвижно закреплена на основании (после регулировки этого расстояния). Обычно испытывают серию одинаковых образцов 1 (в принципе образцы 1 могут быть изготовлены из разных материалов или иметь разную толщину). Аналогичным образом устанавливают остальные образцы 1. В «идеальных» условиях показания датчиков 3 должны быть одинаковыми для всех образцов, если образцы одинаковы. Фактически на практике по ряду причин (люфты в системе, разброс размеров образцов и т.д.) обычно наблюдается некоторый разброс значений усилия, воздействующего на образец. Но датчик 3 установлен на каждой стойке 2. И для каждого образца в память ЭВМ записывается величина нагрузки. «Спад» значения величины нагрузки (для конкретного образца) свидетельствует о том, что в образце образовалась усталостная трещина.
После соответствующей настройки деталь 6 неподвижно закрепляют на штоке 5. Для неподвижного закрепления детали 6 на штоке 5, шток 5 может иметь резьбу, на которую навинчиваются гайки (и контргайки) или деталь 6 может быть снабжены специальными винтами (на фиг. 1 приспособления для неподвижного закрепления детали 6 на штоке 5 не показаны).
Когда установлено требуемое количество образцов 1 и проделаны другие операции (датчики 3, установленные на деталях 2, подключены к ЭВМ (датчики 3 позволяют регистрировать величину нагрузки и количество циклов нагружения); деталь 6 неподвижно закреплена на штоке 5 и др.), включают электродвигатель, который вращает кривошипный механизм; с помощью рычага 4 вращательное движение преобразуется в возвратно-поступательное движение штока 5. При этом образец подвергается циклическим нагрузкам.