УСТРОЙСТВО ДЛЯ ДВУХОСНЫХ ИСПЫТАНИЙ КРЕСТООБРАЗНЫХ ОБРАЗЦОВ

Полезная модель относится к испытательной технике и может быть использована для двухосного испытания металлических крестообразных образцов на усталостную прочность.
Известно устройство для испытания лопаточных дисков турбомашин на прочность, содержащее имитаторы хвостовиков лопаток, размещенные в пазах элемента обода диска с межпазовыми выступами и захваты; устройство снабжено связанной с одним из захватов траверсой, шарнирно соединенными с ней и элементом обода диска тягами, связанным с другим захватом коромыслом и соединенными с ним и имитаторами хвостовиков шарнирными стержнями, причем шарнирные соединения тяг и элемента обода диска расположены на равных расстояниях от середины межпазового выступа [см. авторское свидетельство SU №1114916, опубл. 23.09.1984].
Наиболее близким к заявляемому техническому решению является устройство для испытания на прочность лопаточных дисков турбомашин с вильчатым соединением [патент RU №2579170, опубл. 10.04.2016]. Устройство содержит тяги, предназначенные для связи с захватами испытательной машины и с элементом обода диска посредством заклепок, предназначенных для размещения в крепежных отверстиях элемента обода диска, четыре планки - верхнюю и нижнюю, расположенные горизонтально параллельно друг другу, правую и левую, расположенные вертикально параллельно друг другу и перпендикулярно верхней и нижней планкам, причем верхняя планка содержит пять отверстий, равномерно отстоящих друг от друга, нижняя, правая и левая планки содержат по три отверстия, равномерно отстоящих друг от друга, при этом отверстия, расположенные справа и слева от центрального отверстия верхней планки, а также центральные отверстия нижней, правой и левой планок предназначены для соединения и передачи усилий от соответствующих захватов двухосной испытательной машины.
Недостатком этого устройства является то, что такие устройства не позволяют осуществлять двухосные испытания на прочностьобразцов на испытательных машинах, способных создавать нагрузку только по одной оси.
Задачей представленной полезной модели является создание устройства, способного осуществлять двухосные испытания крестообразных образцов на испытательных машинах, предназначенных для одноосного растяжения.
= Px / Py
Px
Py
Данный технический результат достигается введением в кинематическую схему дополнительного элемента в виде траверсы с промежуточными тягами. Применяемая в устройстве система тяг распределяет вертикальную растягивающую нагрузку от испытательной машины по двум взаимно перпендикулярным осям крестообразного образца. Изменяя угол установки тяг, можно добиться широкого диапазона соотношений нагрузок по осям λ (от - 1 до 1), где  и  - нагрузки, соответственно по горизонтальной и вертикальной осям.
На фиг. 1 представлена схема устройства для двухосного нагружения крестообразного образца.
На фиг. 2 показана схема сил, действующих в звеньях приспособления.
На фиг. 3 приведен внешний вид устройства для двухосного нагружения.
Устройство для испытаний на прочность испытательного образца 1 (фиг.1) является шарнирным механизмом, который состоит из верхней и нижней траверс 2, силовых тяг 3, горизонтальных 4 и вертикальных 5 накладок, передающих тяг 6 и 7.
Траверсы представляют собой сдвоенные металлические пластины. В сквозном отверстии, расположенном на вертикальной оси траверсы, через шарнирный палец крепится силовая тяга 3, которая в свою очередь закрепляется в стандартных захватах испытательной машины. Кроме этого в траверсе имеются еще 4 сквозных отверстия, расположенных симметрично, относительно вертикальной оси. В двух отверстиях, расположенных ближе к центру, через шарнирные пальцы установлены тяги 6, передающие усилие от траверсы 2 к вертикальным накладкам 5. В двух крайних отверстиях через аналогичные шарниры закрепляются тяги 7, предназначенные для передачи усилия от траверсы к горизонтальным накладкам 4.
Вертикальные накладки 5 выполнены в виде двух пар пластин (верхней и нижней), между которыми болтами с гайкой зажаты вертикальные ветви крестообразного образца 1. В пластинах, помимо отверстий для крепежных болтов, выполнено по два отверстия для шарнирного крепления тяг 6, передающих усилие от траверсы.
К горизонтальных ветвям крестообразного образца 1 при помощи болтов с гайками закрепляются две пары горизонтальных накладок 4.
экв
x
y
x
y
В процессе исследования напряженно-деформированного состояния образца при двухосном нагружении с целью оценки прочности определяются эквивалентные напряжения σ в рабочей зоне. Величина эквивалентных напряжений зависит от соотношения возникающих по осям образца нормальных напряжений λ = σ/σ, где λ - коэффициент двухосности нагружения, σ - нормальные напряжения по горизонтальной оси, σ - нормальные напряжения по вертикальной оси. Величины нормальных напряжений будут зависеть от усилий, передаваемых на горизонтальную и вертикальную оси испытательного образца 1. Поэтому при двухосных испытаниях необходимо иметь возможность варьировать эту величину.
.
α
x
x
С этой целью горизонтальные накладки 4, в отличие от вертикальных, могут иметь несколько отверстий для крепления тяги, передающей усилие от траверсы к горизонтальным накладкам. Исходя из требуемых в проводимом эксперименте значений коэффициента двухосности нагружения λ, определяются координаты отверстий, от которых зависит угол наклона тяги Изготовление накладок с несколькими отверстиями позволяет путем последовательной перестановки шарнира тяги 7 из одного отверстия накладки 4 в другое быстро изменять угол наклона тяг , что в соответствии с формулой P = P·sin α изменяет величину и направление силы P, действующей вдоль горизонтальной оси образца (см. фиг. 2).
Такое решение делает устройство универсальным и позволяет выполнять эксперименты при различных, заранее определенных, значениях коэффициента двухосности нагружения λ.
Тяги 3 и 6 одним концом устанавливаются между плитами траверсы 2 и соединяются с ними шарнирными пальцами через соответствующие отверстия в плитах траверсы и в тягах. Другие концы тяг устанавливаются между накладками и крепятся к ним такими же шарнирами. Шарниры выполнены в виде полированных, пальцев и устанавливаются в тяги с минимальным зазором, позволяющим минимизировать трение в шарнире.
Разделение усилия по двум взаимно перпендикулярным осям образца зависит от жесткости конструкции. Особенностью предлагаемой полезной модели является способ передачи нагрузки от испытательной машины на вертикальные ветви крестообразного образца. С целью выравнивания податливости (величина, обратная жесткости) по вертикальной и горизонтальной осям устройства, по вертикальной оси установлены промежуточные тяги от траверсы к накладкам, передающим образцу вертикальные усилия. Эти тяги сделаны точно такими же, как и тяги, передающие горизонтальные усилия, и, соответственно, выравнивают податливость конструкции по вертикальной и горизонтальной осям.
Нами не обнаружены технические решения с признаками, сходными с существенными отличительными признаками предлагаемого устройства, поэтому считаем, что оно соответствует критериям патентоспособности «новизна» и «промышленная применимость».
Двухосное нагружение крестообразного образца при помощи предлагаемого устройства выполняется следующим образом.
К двум противолежащим горизонтальным ветвям крестообразного образца 1 жестко с двух сторон закрепляют горизонтальные накладки 4, к двум другим (вертикальным) ветвям аналогично крепят вертикальные накладки 5. Образец 1 с накладками соединен с траверсой 2 при помощи тяг 6 и 7, имеющих шарнирное соединение. Траверсы через шарниры соединены с силовыми тягами 3, которые закрепляют в стандартных захватах испытательной машины.
м
г
в
Вертикальное растягивающее усилие P передается от испытательной машины через силовые тяги 3 на траверсу 2 (фиг.1). Вследствие перемещения траверсы, в тягах, соединяющих траверсу с горизонтальными 4 и вертикальными 5 накладками, возникают продольные усилия  и , где α - угол наклона тяги передающей усилие на горизонтальную накладку; α - угол наклона тяги передающей усилие на вертикальную накладку.
в
Yв
Xв
Xв
Продольная сила P, которая возникает в тягах 6, передающих усилие на вертикальные накладки раскладывается на вертикальную P и горизонтальную P составляющие (фиг. 2). Горизонтальные силы P, возникающие в тягах, направлены в противоположные стороны и взаимно уравновешиваются.
Yв
Yв
в
в
Yв
УΣ
в
Сила P направлена вдоль вертикальной оси, ее величина определяется по формуле: P = P·cos α. При симметричной конструкции силы P, возникающие в тягах, передающих вертикальные усилия суммируются, а их результирующая P направлена вдоль вертикальной оси крестообразного образца. Тяги, передающие вертикальные усилия, установлены по углом α = 45°. Этот угол остается неизменным при любом коэффициенте двухосности нагружения λ.
Yг
Xг
Xг
г
xΣ
г
xΣ
г
xΣ
г
г
г.
В тяге, передающей усилие на горизонтальную накладку растягивающая сила также раскладывается на горизонтальную и вертикальную составляющие (фиг. 2). Так как вертикальные силы P направлены в противоположные стороны, они уравновешивают друг друга и не передают усилие на образец. Горизонтальная сила P вычисляется по формуле: P = P·sin α Как и в вертикальных накладках, горизонтальные усилия, возникающие в тягах, суммируются, а их результирующая P направлена вдоль горизонтальной оси крестообразного образца. Конструкция горизонтальной накладки 4 предусматривает установку тяг 7 под различным углом наклона к вертикальной оси α. Это решение позволяет при неизменном угле наклона тяг 6, передающих вертикальное усилие, изменять величину горизонтальной силы Pвбольшом диапазоне. При отрицательном значении угла α меняется и направление силы P. На фиг. 2 приведены примеры установки тяг по углом α=45° и α'=-45°.
αг
αв
=1,
Yг
Yв
Так, в случае абсолютной жесткости элементов устройства, создающих силовые цепочки и отсутствия трения в шарнирах при= = 45° соотношений нагрузок по осям λт.к. P = P.
Изменение угла наклона тяг осуществляется путем переноса точки установки соответствующего шарнира на горизонтальной планке.
Предложенная конструкция применима для плоского асимметричного нагружения испытываемых образцов на испытательных машинах большой нагружающей способности, предназначенных для одноосных испытаний
= Px / Py
Px
Py
Конструктивные особенности устройства позволяют реализовать нагружение трех типов: одноосное растяжение; двухосное растяжение; растяжение-сжатие. Применяемая в устройстве система тяг распределяет вертикальную растягивающую нагрузку от испытательной машины по двум взаимно перпендикулярным осям крестообразного образца. Изменяя угол установки тяг, можно добиться широкого диапазона соотношений нагрузок по осям λ, где  и  - нагрузки, соответственно по горизонтальной и вертикальной осям. В идеальном случае этот диапазон может принимать значение от -1 до +1.
Py / Px
Заявляемое устройство для двухосного испытания металлических крестообразных образцов на усталостную прочностьпозволяет применять испытательные машины большой нагружающей способности, предназначенные для одноосных испытаний, для плоского асимметричного нагружения образцов путем введения в кинематическую схему дополнительного элемента в виде траверсы с промежуточными тягами, позволяющего передавать одноосную нагрузку от испытательной машины к крестообразному образцу по двум взаимно перпендикулярным осям с одинаковой податливостью силовых цепочек, и возможностью изменения соотношения передаваемых по осям нагрузок от - 1 до + 1.