ЦЕНТРОБЕЖНАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ИСПЫТАНИЯ ОБРАЗЦОВ И ФРАГМЕНТОВ ПРОСТРАНСТВЕННЫХ КОНСТРУКЦИЙ ПРИ СЛОЖНОМ НАПРЯЖЕННОМ СОСТОЯНИИ НА ЦИКЛИЧЕСКУЮ НАГРУЗКУ Российский патент 1997 года по МПК G01N3/34 

Изобретение относится к испытательной технике, а именно к центробежным установкам для испытания образцов, узлов пространственных конструкций, оболочек и др. применяемых в строительстве, машино-, судо, самолето- и ракетостроении из различных материалов при сложном напряженном состоянии многоосного нагружения.

Известна центробежная установка (авт.св. N 1379685 G 01 N 3/08, БИ N 9, 1988) для испытания образцов на растяжение, содержащая основание, установленный на нем привод с выходным валом, закрепленную на валу привода платформу, установленное на платформе зубчатое колесо с механизмом его поворота и камеру с направляющими для центробежных грузов, на которых установлены захваты для образцов.

Однако данная установка не позволяет производить многоосное в пространстве загружение, причем ее конструкция является сложной.

Известна центробежная установка (авт.св. N 1493924, G 01 N 3/08, БИ N 26, 1989) для испытания образцов на прочность при сложном напряженном состоянии, содержащая корпус, установленный на нем привод с выходным валом, связанную с валом платформу, размещенную на платформе пары соосных силовых гидроцилиндров, нагрузочные гидроцилиндры с плавающими поршнями и закрепленные на поршнях силовых гидроцилиндров соответствующие захваты для крепления образцов.

Напряженно-деформированное состояние испытуемого образца создается за счет его вращения относительно двух, но параллельно расположенных осей. При этом в качестве образца принимается только некоторый кубический объем грунта, а использование узла пространственной конструкции не представляется возможным. К недостаткам данной установки можно отнести и сложность ее конструкции вследствие относительно большого числа гидроцилиндров.

Задачей изобретения является расширение функциональных возможностей за счет обеспечения многоосного по любой оси в пространстве циклического нагружения. Решение поставленной задачи достигается тем, что центробежная установка для испытания образцов и фрагментов пространственных конструкций при сложном напряженном состоянии на циклическую нагрузку, содержащая корпус, установленную на нем платформу с приводом ее вращения и нагружающие устройства, включающие инерционные массы, соединенные с захватами для крепления испытуемого объекта, снабжена силовой рамой, выполненной из жестко соединенных, расположенных в перпендикулярных плоскостях жестких колец и шарнирно соединенных с ними в узлах их сопряжения полуколец и дополнительным приводом вращения, установленным на жестко закрепленных на платформе стойках, на которых с помощью пары приводных валов, расположенных на одной оси в двух диаметрально противоположных местах сопряжения колец и полуколец установлена силовая рама, при этом дополнительный привод вращения кинематически связан с приводными валами силовой рамы, ось относительного вращения которой установлена под углом к переносной оси вращения силовой рамы и пересекает ее в центре рамы, а инерционные массы выполнены в виде упругих элементов, размещенных на радиальных направляющих с внешней стороны силовой рамы.

Кроме того силовая рама выполнена сферической или эллипсоидальной формы.

Сущность устройства поясняется чертежами, где: на фиг.1 общий вид установки; на фиг.2 вид установки по A; на фиг.3 узел сопряжения нагружающего устройства инерционной массы с силовой рамой при действии на образец растягивающих сил; на фиг.4 узел сопряжения нагружающего устройства с силовой рамой при действии на образец сжимающих сил; на фиг.5 схемы очертания и опирания силовых рам; на фиг.6 схемы изменения вектора мгновенной угловой скорости в зависимости от изменения количественного соотношения относительной и переносной угловых скоростей; на фиг.7 схемы возможных размещений нагруженных устройств инерционных масс на одной оси; на фиг.8 график результатов испытаний при повторных нагружениях; на фиг.9 - эпюры радиальных составляющих центробежных сил, действующих при вращении силовой рамы относительно только вертикальной (9, а) или только горизонтальной (9,б) оси; на фиг. 10 схема конструкции колеса, вращающего относительно двух пересекающихся осей (к примеру I); на фиг 11 схема узла структурной конструкции (к примеру 2); на фиг. 12 узел сопряжения силовой рамы со стойкой.

Центробежная установка (фиг. 1, 2) содержит корпус I, на котором установлена платформа со стойками 2 с приводом вращения 3, силовую раму 4, установленную на стойке 2, с закрепленным на них дополнительным приводом вращения 5, коническую пару 6, нагружающие устройства, включающие инерционные массы в виде упругих колец 7.

Через упругие кольца 7 и силовую раму 4 с втулками 8 с антифрикционным покрытием проходят радиально тяги 9 (фиг.3), которые одним концом крепятся натяжными гайками 10 к наиболее удаленной от центра установки стороне кольца 7, а другим концом к испытываемому образцу 11 посредством захватов 12.

Упругие кольца 7 расположены на тягах 9, являющихся для них одновременно и радиальными направляющими, вдоль которых за счет шлицевого соединения они совместно с опорными элементами 13 могут свободно перемещаться (фиг.3). Такое соединение инерционных масс с силовой рамой 4 обеспечивает действие на образец растягивающих сил.

В случае необходимости получения сжимающих усилий используют рычажные механизмы 14, шарнирно опирающиеся на кронштейны 15, которые жестко закреплены на силовой раме 4, что обеспечивает действие на образец 11 посредством тяги 9 сжимающей силы (фиг.4).

Силовая рама 4 (фиг.1, 2) состоит из жестко соединенных взаимно перпендикулярных колец 16, а также полуколец 17, шарнирно соединенных с вышеуказанными кольцами 16 в узлах их сопряжения с возможностью последующей фиксации их нового необходимого положения. В случае необходимости повышения жесткости силовой рамы 4, вследствие значительных ее габаритных размеров, дополнительно симметрично относительно ее центра устанавливают кольца 18 меньшего диаметра в плоскостях перпендикулярных вышеуказанным кольцам 16 и полукольцам 17 (фиг.5).

Силовую раму приводят во вращение относительно оси, пересекающей вертикальную ось вращения, дополнительным приводом 5 посредством конической пары 6 установленной на выходном валу привода 5 и приводных валах 19 рамы 4, расположенных на одной оси диаметрально противоположно в месте сопряжения жестких колец 16 силовой рамы 4 (фиг.1, 2, 12).

Дополнительный привод 5 вращения кинематически связан с приводными валами 19 силовой рамы 4.

Установка работает следующих образом.

Включают привод 3 и приводят платформу со стойками 2 во вращение вокруг своей оси (фиг.1, 2). Одновременно включают привод 5 и посредством конической пары 6 приводят во вращение силовую раму 4 относительно второй оси.

Таким образом, при работе обоих приводов 3 и 5 установки происходит вращение силовой рамы 4 относительно двух пересекающихся осей, из которых одна является вертикальной переносной осью вращения, относительно которой вращение создает привод 3 с переносной угловой скоростью ω_пер., а вторая ось относительного вращения проходит через узлы сопряжения силовой рамы 4 со стойками 2, жестко закрепленными на платформе, вращение относительно которой создается дополнительный привод 5 с относительной угловой скоростью ω_отн.. При этом установка имеет неподвижный центр, совпадающий с точной пересечения указанных осей вращения (фиг. 1).

Кроме того, в рассматриваемый момент времени силовая рама вращается также вокруг мгновенной оси вращения, направленной вдоль вектора мгновенной угловой скорости (фиг.6), равного:

С течением времени мгновенная ось вращения меняет свое положение, описывая коническую поверхность, вершина которой находится в центе силовой рамы 4.

Инерционные массы 7, установленные на силовой раме 4 посредством тяг 9, натяжных гаек 10 и захватов 12 (фиг.3) воздействуют на образец 11, как за счет усилия предварительного напряжения, создаваемого до начала работы установки, так и за счет развиваемых в них радиально направленных составляющих центробежных сил.

Вследствие одновременного вращения установки вокруг двух пересекающихся осей, инерционные массы 7 совершают сложные траектории движения и в них циклически развивают переменные по величине центробежные силы, зависящие от положения инерционных масс в пространстве в рассматриваемый момент времени.

В соответствии с динамическим расчетом в рассматриваемой точке установки, в которой установлена инерционная масса, инерционная сила направлена под определенным углом к радиусу силовой рамы 4. Это происходит вследствие действия кориолисовых сил.

Для проведения испытаний только на действие центробежных сил в силовой раме 4 устанавливают втулки 8 с антифрикционным покрытием (фиг.3), через которые проходят опирающиеся на них тяги 9.

Таким образом, тангенциальную составляющую инерционной силы, развиваемую инерционной массой, воспринимает только силовой рамой 4, а радиальную составляющую образцом 11.

При фиксированных значениях угловых скоростей вращения ω_отн. и ω_пер. силовой рамы 4 траектории движения всех инерционных масс 7 за один полный оборот (цикл) силовой рамы 4 также постоянны.

Совместное рассмотрение динамического и кинематического расчетов определяют как величину и амплитуду центробежной силы, развиваемой определенной инерционной массой 7, расположенной на поверхности силовой рамы 4, так и положение ее в пространстве в искомый момент времени, т.е. фактически траекторию ее движения.

В частном случае, при силовой раме 4 сферического очертания, вращающейся одновременно относительно вертикальной и горизонтальной осей (фиг. 5,а), равенстве как инерционных масс 7, так и относительной и переносной угловых скоростей, получают за один цикл работы установки для определенных инерционных масс изменение инерционной силы с амплитудой от F до 2F (при отсутствии предварительного напряжения). При этом инерционные массы изменяют как по величине, так и по направлению свои линейные скорости, а также осестремительные ускорения.

Изменяя соотношения относительной и переносной угловых скоростей (фиг. 6), изменяют по величине и направлению мгновенную угловую скорость, а, следовательно, и величину и амплитуду количественного изменения инерционных сил по каждой из осей нагружения.

В общем случае, когда переменными являются и угловые скорости ω_отн., ω_пер. и величина инерционных масс, все инерционные массы развивают различные, переменные с определенной амплитудой в цикле, центробежные силы.

Таким образом, изменение центробежных сил как по величине, так и по амплитуде по любой из осей нагружения образца в пространстве обеспечивают варьирование следующих факторов.

1. Очертания формы силовых рам: сферическое, эллипсоидальное и др. (фиг. 5).

2. Габаритных размеров силовой рамы.

3. Схема размещения силовой рамы (кроме рамы сферического очертания) (фиг. 5 б,в). Силовая рама 4, имеющая поверхность эллипсоида вращения опертая по большему или меньшему диаметру (фиг. 5 б, в), дает дополнительный спектр изменения радиальных составляющих центробежных сил, воздействующих на образец как по их величине, так и по их диапазону.

4. Угол пересечения между осями вращения, создаваемый основным и дополнительным приводами вращения силовой рамы (фиг. 5 г, д, е).

5. Места размещения инерционных масс на поверхности силовой рамы.

6. Схемы размещения инерционных масс (фиг. 7), их геометрических параметров и плотности материала, из которого они изготовлены.

7. Величины и соотношения угловых скоростей вращения ω_отн. и ω_пер. (фиг. 6).

8. Создания усилия предварительного напряжения (фиг. 8).

Образец или узел пространственной конструкции устанавливают в установке так, чтобы на него действовали циклические центробежные силы по заданной программе, соответствующей загружению в исследуемой реальной конструкции.

При вращении установки только относительно вертикальной оси (фиг. 9,а) за счет работы привода 3 (фиг. 1, 2) образец 11 испытывают радиальными составляющими горизонтально направленных центробежных сил.

При вращении силовой рамы 4 только относительно горизонтальной оси (фиг. 9, б) за счет работы дополнительного привода 5 образец нагружают радиальными составляющими вертикально направленных центробежных сил.

В обоих случаях развиваемые инерционными массами центробежные силы, а следовательно, и их составляющие как радиальные F_р, так и тангенциальные F_т постоянны при постоянных угловых скоростях ω_отн. и ω_пер. Причем по величине радиальные составляющие центробежных сил изменяют по длине окружности по закону косинусов.

Таким образом, изменение соотношения угловых скоростей ω_пер. от 0 до n и ω_отн. от n до 0 обеспечивает циклическое нагружение образца 11 центробежными силами с амплитудой их изменения от 0 до F ц.б.

До начала работы центробежной установки возможно предварительное нагружение образца с помощью натяжных гаек 10 (фиг. 3). Тогда при работе центробежной установки на начальное статическое нагружение образца или узла пространственной конструкции налагают нагрузки за счет действия центробежных сил:
F m•W,
где: m инерционная масса масса упругого кольца;
W нормальная к поверхности силовой рамы составляющая углового ускорения.

Причем усилия от центробежных сил F повышают начальные усилия от предварительного напряжения F₀ только в случае, когда они превысят их, т.е. когда F > F₀.

Этот фактор обеспечивает расширение вариантности загружения образца, т. е. обеспечивает варьирование силы действующий на образец по величине по каждой из осей нагружения и как следствие варьирование ее амплитуды.

Кроме того, даже незначительное по величине предварительное напряжение по всем осям нагружения существенно улучшает работу установки, т.к. это обеспечивает повышение ее жесткости в целом, что особенно важно в момент разгона установки, когда инерционные силы отсутствуют или еще малы.

Контроль подаваемого на образец 11 начального усилия F₀ производится с помощью, например, тензодатчиков, наклеенных на кольца 7, которые предварительно протарированы.

Выбор количества и размеров колец 7, которые могут быть разного диаметра и поперечного сечения, марки стали, из которых они изготовлены, порядка их размещения (фиг.7), а также направления осей нагружения определяют из условия работы образца или узла пространственной системы в исследуемой конструкции. При этом, за счет упругости колец 7, учитывают и величину запасенной конструкцией упругой энергией.

При остановке вращения установки возможно испытание образца как статической, так и повторно статической нагрузкой (фиг. 8).

Сочетание статического и повторно статического нагружения образца с последующим циклическим нагружением и наоборот существенно расширяет вариантность условий испытаний образца, позволяет более полно отразить реальную работу исследуемой конструкции.

Наряду с указанными условиями работы установки, они обеспечивает проведение испытаний на циклическое многоосное нагружение с одновременным контролем за счет упругости колец 7 процессов ползучести и релаксации напряжений (фиг. 8), протекающих в образце или фрагменте пространственной конструкции вследствие проявления материалом своих реологических свойств.

Учет протекания процессов ползучести и релаксации напряжений в исследуемой конструкции позволяет оценивать запас пластичности материала, а следовательно, и изменение напряженно-деформированного состояния в конструкции за определенный период времени ее эксплуатации.

Установка позволяет восстанавливать начальный уровень нагрузки, снизившийся в результате ползучести и релаксации напряжений, без разгрузки образца (фиг.8).

Время испытания определяют уровнем начального напряжения, амплитудой изменения нагрузки, материалом, а также продолжительностью эксплуатации исследуемой конструкции.

Пример 1. В качестве примера испытуемого образца 11 можно использовать колесо, катящееся по горизонтальной поверхности с угловой скоростью ω_отн., которое вращают относительно горизонтальной оси. Одновременно колесо вращают относительно вертикальной оси с угловой скоростью ω_пер. (фиг. 10).

С целью повышения жесткости колеса в целом, его спицы обычно предварительно напрягают усилием растяжения F₀.

За счет собственного веса колеса, оси и внешней нагрузки, приходящейся на них, опорная реакция R (фиг. 10,а), действующая на колесо последовательно в каждой спице, циклически уменьшает усилие предварительного напряжения в них F₀ на величину αR, где: α<1.
Величина усилия αR определяется расчетом в зависимости от:
1) величины нагрузки, действующей не колесо;
2) геометрической схемы размещения спиц;
3) количества спиц;
4) угловых скоростей ω_отн. и ω_пер.
На предлагаемой установке возможно смоделировать испытание конструкции узла колеса, включающего ступицу с примыкающими к ней спицами и осью (фиг. 10, б). При этом размещение испытуемого узла конструкции колеса в установке осуществляется так, чтобы инерционные силы, развиваемые инерционными массами, действовали на элементы узла подобно реальным. Очевидно, что эти условия обеспечиваются на основании выполнения предшествующего испытания, кинематического, устанавливающего траекторию движения инерционных масс, и динамического расчетов.

Следовательно, в процессе испытания на каждую спицу будет действовать циклическая сила в диапазоне от F₀ до (F_o-αR),, величина которой обеспечивается соответствующим подбором инерционных масс 7 как по величине и геометрическим параметрам, так и местом из размещения по поверхности силовой рамы 4.

Одновременно, в ходе испытаний, в момент остановки вращения установки, возможно осуществлять контроль степени релаксации напряжений ползучести в элементах узла пространственной конструкции с помощью упругих колец - силоизмерителей.

Таким образом, задав в каждой спице соответствующее реально действующему в конструкции колеса усилие предварительного растяжения, и, создав соответствующие угловые скорости вращения установки ω_отн. и ω_пер., обеспечивают испытание данного узла колеса в условиях, наиболее полно отражающих его работу в реальной конструкции.

Пример 2. На предлагаемой установке возможно испытать узел структурной конструкции (фиг. 11) на действие как постоянных, так и временных нагрузок. Действие постоянных нагрузок иммитирует предварительное напряжение, а временных действие циклических нагрузок за счет варьирования инерционных масс как по их величине и количеству, так и по схеме их размещения. Растягивающие циклические усилия в стержнях испытываемого узла создают при размещении инерционных масс 7 по схеме (фиг. 3), а сжимающие циклические усилия в соответствующих стержнях испытываемого узла создают при вращении силовой рамы 4 установки с помощью рычажных механизмов 14 (фиг.4).

Таким образом, центробежная установка конструкции с силовой рамой, вращающейся относительно двух пересекающихся осей, позволит обеспечить при испытаниях многоосное по любой оси в пространстве циклическое нагружение образцов или фрагментов пространственных конструкций по заданной программе, соответствующей их загружению в реальной исследуемой конструкции, что максимально приближает испытания к реальным условиям.

Сущность изобретения: циклическое нагружение испытуемого объекта, закрепляемого в захватах внутри силовой рамы, создают вращением рамы с установленными на ней нагружающими инерционными массами вокруг двух осей, пересекающихся в центре рамы. Рама установлена на вращающейся платформе, несущей дополнительный привод для вращения рамы относительно платформы. Рама выполнена из жестко соединенных, расположенных в перпендикулярных плоскостях жестких колец и шарнирно соединенных с ними в узлах их сопряжения полуколец. Дополнительный привод кинематически связан с двумя приводными валами, соединенными с рамой в диаметрально противоположных узлах сопряжения колец и полуколец. Инерционные массы выполнены в виде упругих элементов, размещенных на радиальных направляющих с внешней стороны рамы. Изобретение обеспечивает многоосное нагружение объекта по любым заданным осям. 1 з.п. ф-лы, 12 ил.

1. Центробежная установка для испытания образцов и фрагментов пространственных конструкций при сложном напряженном состоянии на циклическую нагрузку, содержащая корпус, установленную на нем платформу с приводом ее вращения и нагружающие устройства, включающие инерционные массы, соединенные с захватами для крепления испытуемого объекта, отличающаяся тем, что она снабжена силовой рамой, выполненной из жестко соединенных, расположенных в перпендикулярных плоскостях жестких колец и шарнирно соединенных с ними в узлах их сопряжения полуколец, и дополнительным приводом вращения, установленным на жестко закрепленных на платформе стойках, на которых с помощью пары приводных валов, расположенных на одной оси в двух диаметрально противоположных местах сопряжения колец и полуколец, установлена силовая рама, при этом дополнительный привод вращения кинематически связан с приводными валами силовой рамы, ось относительного вращения которой установлена под углом к переносной оси вращения силовой рамы и пересекает ее в центре рамы, а инерционные массы выполнены в виде упругих элементов, размещенных на радиальных направляющих с внешней стороны силовой рамы. 2. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что силовая рама выполнена сферической или эллипсоидальной формы.