УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИСПЫТАНИЙ НА УСТАЛОСТЬ Российский патент 1997 года по МПК G01N3/38 

Изобретение относится к испытательной технике, в частности к устройствам для усталостных испытаний образцов материалов. Оно может быть также использовано в качестве универсального нагружающего устройства при проведении статических и циклических испытаний на основные виды нагружения: растяжение, сжатие, плоский и круговой изгиб.

Известны машины для испытаний на усталость с механическим, гидравлическим, электромагнитным и другими способами возбуждения колебаний (Испытательная техника: Справочник. в 2-х кн.) Под ред. В. В. Клюева. М. Машиностроение, 1982). Такие машины, как правило, сложны по конструкции, громоздки и не обеспечивают возможность проведения совместных испытаний на сложное напряженное состояние при повторно-переменном растяжении-сжатии, знакопеременном изгибе и циклическом кручении.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является устройство для испытаний на усталость, обеспечивающее проведение совместных или автономных испытаний на растяжение-сжатие, изгиб и циклическое кручение (а. с. N 1375993, кл. G 01 N 3/38, 1988). Это достигается различной коммутацией с источником питания электромагнитом, расположенных по обе стороны диска, с выступами, равномерно размещенными по окружности.

Недостатком данного устройства является наличие в процессе усталостных испытаний на знакопеременный изгиб поперечных сил инерции, возникающих при колебательных движениях активного захвата. Эти силы искажают эпюру "чистого" изгиба по длине образца, создают нежелательную перерезывающую силу в его сечениях, затрудняют определение напряженно-деформированного состояния и приводят к разрушению образца в зоне его крепления в пассивный захват.

Цель изобретения повышение качества испытаний при знакопеременном изгибе.

Для этого в известном устройстве, содержащем основание, соосные захваты образца, выполненные в виде дисков с равномерно расположенными по окружности выступами, и силовозбудитель в виде взаимодействующих с выступами дисков электромагнитов, расположенных по окружности и установленных попарно соосно и сердечниками навстречу друг другу по разные стороны дисков, диски соединены с основанием с помощью сферических шарниров, причем один из них дополнительно имеет подвижность в направлении оси образца.

На фиг. 1 показана схема установки; на фиг. 2 вид А на фиг. 1; на фиг. 3 схема нагружения образца.

Образец 1 закрепляется в соосных захватах 2 и 3, выполненных в виде дисков 7 и 8 с равномерно расположенными по окружности выступами (якорями) 9. Диски соединены с основанием 4 с помощью сферических шарниров 5 и 6 при этом сферический шарнир 5 имеет подвижность в направлении оси образца. Диски помещены в зазоре между сердечниками электромагнитов 10, закрепленных на обоймах 11 попарно соосно.

Устройство работает следующим образом. Для создания повторно-переменного растяжения-сжатия электромагниты 10 соединяются в две группы параллельно так, что одна группа расположена с одной стороны дисков 7 и 8, а другая с противоположной. Коммутирующее устройство поочередно подключает эти группы электромагнитов к источнику питания с частотой испытаний.

При плоском "чистом" изгибе в работе участвуют по две пары электромагнитов 10, расположенных диаметрально противоположно, причем по разные стороны дисков 7 и 8. Коммутирующее устройство поочередно подключает эти пары электромагнитов к источнику питания, в результате чего возникает две пары сил, что эквивалентно нагружению образца 1 изгибающим моментом, постоянным по его длине. Возникающие при поворотах дисков 7 и 8 вокруг шарниров 5 и 6 силы инерции на образец не действуют, так как касательные составляющие сил инерции дисков 7 и 8 взаимно уравновешиваются, а нормальные составляющие воспринимаются опорами 5 и 6. Следовательно, пеpеpезывающая сила и сопутствующие ей касательные напряжения при этом в образце не возникают.

Для создания кругового изгиба соединение электромагнитов 10 выполняется аналогично плоскому изгибу, только в работе участвуют все пары электромагнитов 10. Коммутирующее устройство поочередно подключает соответствующие пары к источнику питания с требуемой частотой. При этом, как и в предыдущем случае, образец нагружается постоянным по длине изгибающим моментом, плоскость действия которого дискретно поворачивается с шагом, равным шагу расположения электромагнитов 10 по окружности дисков 7 и 8. Следовательно, в образце в процессе испытаний возникают только нормальные напряжения от "чистого" изгиба.

При испытании на циклическое кручение диски 7 и 8 устанавливаются таким образом, чтобы выступы (якоря) 9 были смещены относительно электромагнитов на полшага. Подключение всех электромагнитов 10 к источнику питания осуществляется одновременно с требуемой частотой, при этом выступы 9 дисков 7 и 8 втягиваются между полюсами электромагнитов 10 и к испытываемому образцу прикладывается циклический крутящий момент.

Пример применения. Создание в образце сложного напряженного состояния в виде сжатия и плоского изгиба, изменяющегося в функции времени t по заданному закону, обеспечивается суммарным действием сил P₁(t) и P₂(t), приложенных к образцу с помощью электромагнитов. При этом осевое сжимающее усилие P(t) и изгибающий момент M(t) равны

где l плечи сил P₁(t) и P₂(t)> относительно оси образца.

Для обеспечения в рассматриваемом случае кругового изгиба по любому закону к образцу следует приложить более двух сил P_i(t), i=3,4,n. При дифференцированном изменении электромагнитных сил P_i(t) в устройстве создается вращающееся вокруг оси образца силовое поле, что вызывает одновременно сжатие и круговой изгиб образца.

Для создания в образце только изгибного напряженного состояния необходимо с помощью электромагнитов обеспечить условие, чтобы при равенстве модулей сила P₁(t) была растягивающей, а P₂(t) сжимающей или наоборот, т.е. .

По сравнению с прототипом предлагаемое устройство обладает следующими преимуществами:
в образце обеспечивается эпюра "чистого" изгиба, так как при испытаниях на знакопеременный круговой или плоский изгиб отсутствует перерезывающая сила от внешней нагрузки и от сил инерции движущихся частей устройства (фиг. 3);
полностью разгружаются захваты устройства от внешней нагрузки, прикладываемой электромагнитами, так как предлагаемая схема закрепления и нагружения образца обеспечивает равенство нулю реакции опор (фиг. 3).

Использование: испытательная техника. Сущность изобретения: устройство для испытаний на усталость содержит основание, соосные захваты образца, выполненные в виде дисков с равномерно расположенными по окружности выступами, силовозбудитель в виде взаимодействующих с выступами дисков электромагнитов, расположенных по окружности и установленных попарно соосно и сердечниками навстречу друг другу по разные стороны дисков. Диски соединены с основанием с помощью сферических шарниров, один из которых дополнительно имеет подвижность в направлении оси образца. 3 ил.

Устройство для испытаний на усталость, содержащее основание, соосные захваты образца, выполненные в виде дисков с равномерно расположенными по окружности выступами, и силовозбудитель в виде взаимодействующих с выступами дисков электромагнитов, расположенных по окружности и установленных попарно соосно и сердечниками навстречу друг другу по разные стороны дисков, отличающееся тем, что диски соединены с основанием с помощью сферических шарниров, причем один из них дополнительно имеет подвижность в направлении оси образца.