УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИСПЫТАНИЯ МАТЕРИАЛОВ НА ПРОЧНОСТЬ Российский патент 1998 года по МПК G01N3/28 

Изобретение относится к области прочностных испытаний образцов материалов и может быть использовано в литейном производстве, промышленности строительных материалов в производстве огнеупоров и керамики.

Известно устройство для определения прочности при изгибе для образцов из стержневых смесей в литейном производстве (патент ФРГ N 1648448, кл. G 01 N 33/24, G 01 N 3/20), содержащее привод поступательного перемещения на базе электродвигателя с соответствующим блоком управления, кулачка и толкателя, активную и пассивную опоры, силоизмеритель в виде упругого элемента, установленный между толкателем и активной опорой, и преобразователь сигналов силоизмерителя в виде набора контактов, соединенных механически с толкателем и активной опорой. Недостаток устройства состоит в том, что оно исключает возможность измерения и регистрации величины предела прочности или напряжения в образце в виде непрерывной аналоговой величины, а позволяет фиксировать только ограниченное количество уровней напряжения в образце по числу используемых контактов. Кроме этого, исключена возможность измерения деформации образца.

Известно измерительное устройство в установке для прочностных испытаний материалов с помощью механического усилителя, включающее образец, заключенный между подвижной и неподвижной опорами, нагрузочную ячейку, усилитель и преобразователь, связанные с неподвижной опорой. Недостатком указанного устройства является невозможность определения величины деформации образца (патент Японии N 439613, G 01 N 3/06, ИСМ N 4-94 гр. 84).

Ближайшим к заявленному устройству по технической сущности и достигаемому результату (прототипом) является аппарат для определения сопротивления при сжатия образцов из формовочных смесей (патент Румынии N 72730, кл. G 01 N 3/16), содержащий привод с поступательным перемещением выходного звена на базе электродвигателя с соответствующим блоком управления, кулачка и толкателя, силоизмеритель в виде гидравлического цилиндра с направляющей и поршнем в комплекте с измерителем давления, по величине которого определяют усилие нагружения и напряжение в образце, активную и пассивную опоры для испытуемого образца, измеритель деформации и преобразователь - регистратор сигналов, причем силоизмеритель (цилиндр) скреплен с активной опорой, а поршень - с толкателем, измеритель деформации скреплен с активной и пассивной опорами, а преобразователь сигналов соединен с силоизмерителем и измерителем деформации.

Недостатки прототипа: сложность конструкции из-за использования самостоятельного узла - измерителя деформации, скрепленного с активной и пассивной опорами, а также снижение надежности из-за установки силоизмерителя на подвижном элементе - активной опоре.

Задачей изобретения является исключение указанных недостатков, а именно упрощение конструкции и повышение надежности испытаний.

Техническим результатом является возможность исключения элементов, усложняющих конструкцию при одновременном повышении точности испытания за счет уменьшения искажения сигналов.

Указанный технический результат достигается за счет того, что в устройстве для испытания материалов на прочность, содержащем привод с поступательным перемещением выходного звена, блок управления приводом, активную и пассивную опоры для образца из испытуемого материала, силоизмеритель и преобразователь сигналов, один из входов которого соединен с силоизмерителем, выходное звено привода соединено непосредственно с активной опорой, а силоизмеритель - с пассивной; выход блока управления соединен с приводом и со вторым входом преобразователя сигналов, при этом последний формирует выходные сигналы в зависимости от входных по следующим соотношениям

где σ - напряжение в образце, Па;
F - входной сигнал от силоизмерителя, соответствующий усилию нагружения образца, H;
S - площадь образца, м²;
ε - деформация образца, м;
Х - входной сигнал от блока управления приводом, соответствующий перемещению активной опоры, м;
c - жесткость силоизмерителя, Н/м.

Заявляемое устройство предусматривает использование в качестве привода соответствующего механического узла в комплекте с шаговым либо синхронным двигателем, либо иным аналогичным устройством, сигнал управления которым содержит информацию о перемещении его выходного звена. Для шагового двигателя - это число управляющих импульсов, для синхронного двигателя - это частота питающего напряжения и продолжительность периода включения. Указанный сигнал управления используется в заявляемом устройстве для определения перемещения активной опоры. Испытуемый образец в заявляемом устройстве размещен между активной и пассивной опорами. Пассивная опора скреплена с воспринимающим элементом силоизмерителя, а его корпус закреплен на основании устройства. Одна из основных характеристик силоизмерителя - это жесткость его упругой системы, которая вычисляется как отношение измерительного усилия к соответствующему ему перемещению воспринимающего элемента силоизмерителя. Вследствие этого деформация образца под действием приложенного усилия будет равна разности перемещений активной опоры и воспринимающего элемента силоизмерителя, т.е. пассивной опоры
.

Преобразователь сигналов выполняет вычисление ε наряду с другими операциями. Необходимость использования измерителя деформации как самостоятельного узла исключается.

Закрепление корпуса силоизмерителя на основании заявляемого устройства способствует повышению надежности, так как исключает передвижение подводящих проводов при работе устройства.

Все, указанное выше, подтверждает возможность достижения желаемого технического результата.

Существенные отличительные признаки заявляемого устройства следующие:
1. Выходное звено привода соединено непосредственно с активной опорой;
2. Пассивная опора скреплена с силоизмерителем;
3. Выход блока управления приводом соединен со входом привода и вторым входом преобразователя сигналов;
4. Преобразователь формирует выходные сигналы в зависимости от входных по следующим соотношениям:

Каждый из указанных признаков является необходимым для достижения цели изобретения.

Признак 1 в сочетании с признаком 2 упрощает конструкцию прибора и обеспечивает функционирование устройства, т.е. нагружение испытуемого образца.

Признак 2 обеспечивает повышение надежности за счет уменьшения искажения сигналов.

Признак 3 обеспечивает работоспособность устройства и одновременно способствует достижению цели изобретения в части упрощения конструкции, т.е. исключения отдельного датчика перемещения.

Признак 4 обеспечивает работоспособность устройства и способствует в совокупности с другими признаками упрощению конструкции и повышению точности испытаний.

Указанное выше подтверждает, что отличительные признаки являются необходимыми и достаточными для достижения цели изобретения.

Практическая реализация признаков заявляемого устройства осуществима на базе серийных шаговых двигателей, тензорезисторных силоизмерителей и микропроцессорных средств вычислительной техники и электроавтоматики.

На основании изложенного можно заключить, что заявляемое устройство соответствует критериям изобретения по новизне, изобретательскому уровню и промышленной применимости.

На чертеже изображена функциональная схема устройства.

Устройство содержит привод 1 с поступательным перемещением выходного звена 2, блок 3 управления приводом, активную опору 4, пассивную опору 5, силоизмеритель 6, преобразователь сигналов 7. Испытаниям на сжатие подвергается образец 8.

Устройство работает следующим образом.

Образец 8 устанавливают на пассивную опору 5 и включают блок 3 и привод 1. Выходное звено 2 перемещается в соответствии с сигналом управления (Х) вниз вместе с скрепленной с ним активной опорой 4, которая входит в соприкосновение с образцом 8. Образец 8 через пассивную опору 5 передает развиваемое усилие на силоизмеритель 6. На преобразователь 7 поступают сигналы по перемещению активной опоры 4 (Х) и измеряемому усилию (F) от силоизмерителя 6. Преобразователь 7 формирует выходные сигналы (σ и ε) в зависимости от входных (Х и F) по следующим соотношениям: В начале процесса нагружения образец 8 деформируется, воспринимая возрастающее усилие (F), затем усилие достигает максимума (предел прочности) и уменьшается при разупрочнении образца 8. При разрушении образца 8 вырабатывается сигнал на реверс привода 1, и активная опора 4 возвращается в первоначальное положение. Выходные сигналы преобразователя 7 (σ и ε) подаются либо на индикаторные устройства, либо на регистраторы (не показаны). В процессе прочностных испытаний обычно фиксируют величину предела прочности и деформацию образца 8, соответствующую пределу прочности. В других случаях регистрируют диаграмму нагружения и разрушения образца 8 в координатах σ-ε, из которой помимо указанных выше величин могут быть определены и другие параметры, характеризующие реологические свойства испытуемых образцов.

Практическая реализация заявляемого устройства может быть осуществлена на базе шагового двигателя типа ДШР, силоизмерительных тензорезисторных датчиков типа 1909 ДСТ и микропроцессорных микросхем серии 1816 (1816 БЕ 51).

Использование: в области прочностных испытаний, в литейном производстве и в промышленности строительных материалов. Устройство содержит привод 1 с поступательным перемещением выходного звена 2, блок управления 3 приводом 1, активную 4 и пассивную 5 опоры для образца из испытуемого материала, силоизмеритель 6 и преобразователь сигналов 7, один из входов которого соединен с силоизмерителем 6, выходное звено привода 1 соединено непосредственно с активной опорой 4, а силоизмеритель 6 - с пассивной 5. Выход блока управления 3 соединен с приводом 1 и со вторым входом преобразователя сигналов 7, причем последний формирует выходные сигналы, пропорциональные входным по зависимостям, включающим напряжение в образце, входной сигнал, поступающий от силоизмерителя, соответствующий усилию нагружения образца, площадь образца, деформацию образца, входной сигнал, поступающий от блока управления приводом, соответствующий перемещению активной опоры, жесткость упругой системы силоизмерителя. Техническим результатом является возможность исключения элементов конструкции при повышении точности. 1 ил.

Устройство для испытания материалов на прочность, содержащее привод с поступательным перемещением выходного звена, блок управления приводом, выход которого соединен с приводом, активную и пассивную опоры для образца из испытуемого материала, силоизмеритель, включающий упругую систему, и преобразователь сигналов, один из входов которого соединен с силоизмерителем, отличающееся тем, что выходное звено привода соединено непосредственно с активной опорой, силоизмеритель - с пассивной опорой, выход блока управления приводом - с вторым входом преобразователя сигналов, который формирует выходные сигналы σ и ε по следующим зависимостям:

где σ - напряжение в образце, Па;
F - входной сигнал, поступающий от силоизмерителя, соответствующий усилию нагружения образца, H;
S - площадь образца, м²;
ε - деформация образца, м;
X - входной сигнал, поступающий от блока управления приводом, соответствующий перемещению активной опоры, м;
C - жесткость упругой системы силоизмерителя, Н/м.