СТЕНД ДЛЯ ДИНАМИЧЕСКИХ ИСПЫТАНИЙ ПРУЖИН СЖАТИЯ Российский патент 1999 года по МПК G01M17/04 

Изобретение относится к испытательной технике, а именно, к динамическим стендам с пневматическим разгонно-тормозным устройством.

Известен стенд для ударных испытаний по а.с. N1322105, кл. G 01 M 7/00, содержащий цилиндр с поршнем и пневматический привод для разгона поршня с испытываемым изделием. В устройстве имеется также дополнительный поршень, который после заданного разгона основного поршня соединяется с ним и, замыкая силовую цепь, обеспечивает резкое прекращение разгона.

Недостатком данного стенда является его конструктивная сложность, возможность его применения для испытаний изделий, подвергаемых в процессе эксплуатации ударным нагрузкам с малой величиной деформации самой детали. Исключена также возможность контроля фазы восстановления сдеформированной предварительно испытуемой детали.

Известен стенд для ударных испытаний изделий по а.с. N 1490531, кл. G 01 M 7/00, в котором в дульной части ствола по контуру выполненного окна на его боковой поверхности сопряжен дополнительный ствол, в котором движется вставка, связанная с платформой для крепления испытуемого изделия. Введением дополнительного ствола удается увеличить длительность и пиковое значение воспроизводимого ударного импульса.

Однако необходимость наличия дополнительного ствола для увеличения длительности и пикового значения ударного импульса усложняет конструкцию. Конструкция не позволяет воспроизвести характер восстановления сдеформированной детали.

Известна также конструкция испытательного стенда по а.с. N 1348686, кл. G 01 M 7/00, содержащая ударяемую с наковальней платформу, на которой установлена пневматическая камера с отверстием, перекрытым разрушаемом специальным устройством диафрагмой. Над отверстием камеры расположен стол для установки испытуемого изделия. Ударный импульс формируется при соударении платформы с наковальней, а затухающие колебания ствола с изделием возбуждаются ударной волной, образующейся при разрушении диафрагмы. Использование в стенде съемных волновода и приемника ударной волны расширяет возможность регулирования воспроизводимых нагрузок.

Недостатком данного стенда является его конструктивная сложность и невысокая частота срабатывания из-за необходимости замены разрушаемой после каждого рабочего цикла диафрагмы.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому устройству является стенд для ударных испытаний по а.с. N1490529, кл. G 01 M 7/00. Стенд содержит основание, пневматическое разгонно- тормозное устройство, включающее цилиндр, закрытый с двух концов фланцами. Внутри цилиндра установлен поршень со штоком, разделяющий полость цилиндра на поршневую разгонную и штоковую тормозную камеры, соединенные между собой через продольные окна определенной ширины. Шток поршня упирается в платформу, на которой закрепляется испытуемое изделие. Концентрично цилиндру расположен ресивер, подключенный к магистрали сжатого газа. Для возврата испытуемого изделия в исходное положение и его удержания перед началом рабочего цикла в этом положении стенд оснащен спусковым устройством, выполненным в виде электромеханического подъемника. Заполнение поршневой полости для страгивания поршня и начала ускоренного движения испытуемого изделия осуществляется через неплотность в виде кольцевого зазора между поршнем и цилиндром.

Рабочее ускорение испытуемого изделия начинается после того, как поршень пройдет участок страгивания и газ из ресивера будет поступать в поршневую камеру не через кольцевой зазор между цилиндром и поршнем, а через продольные окна, выполненные вдоль цилиндра.

Необходимость наличия автономного спускового устройства усложняет конструкцию стенда в целом, а невысокое быстродействие этого устройства определяет и низкую частоту его срабатывания. Отсутствие жесткой связи между штоком поршня и испытуемым изделием, а следовательно, их разъединение друг от друга после начала торможения поршня позволяет формировать на испытуемом изделии лишь передний фронт импульса ударного нагружения. Заполнение поршневой полости сжатым газом с использованием неплотностей между поршнем и цилиндром, наличие участка страгивания поршня до выхода его в режим рабочего ускорения увеличивает время заполнения этой камеры газом, приводит в конечном счете к растягиванию переднего фронта ударного импульса.

Целью изобретения является повышение точности воспроизведения динамической нагрузки с крутым передним фронтом, действующей на испытуемое изделие - пружину сжатия в фазах ее сжатия и растяжения и увеличения быстродействия.

Указанная цель достигается тем, что задний фланец цилиндра выполнен в виде отсечного клапана с пневматическим мембранно-пружинным исполнительным механизмом, золотник и мембрана которого являются соответственно донной частью поршневой камеры и ресивера, а штоковая и поршневая камеры постоянно сообщены между собой через дроссельное отверстие, выполненное в поршне, причем штоковая камера сообщена также с атмосферой через дроссельное отверстие, выполненное в переднем фланце цилиндра, на котором закреплена с возможностью заполнения смазывающей жидкостью герметичная емкость, в полости которой соосно штоку поршня консольно установлен направляющий стержень, на котором размещена с упором в торец штока поршня испытуемая пружина, а свободный конец направляющего стержня введен в выполненное по оси штока поршня отверстие, остаточная глубина которого не менее рабочего хода испытуемой пружины.

Выполнение данной части поршневой камеры в виде подпружиненного золотника позволяет обеспечить быстрое поступление сжатого газа из ресивера в поршневую камеру, так как газ заполняет поршневую камеру при полностью открытом золотнике практически через канал площадью равной площади ее поперечного сечения, что позволяет сформировать ударный импульс с крутым передним фронтом. Формированию крутого переднего фронта способствует также конструктивная особенность отсечного клапана с пневматическим исполнительным механизмом, характеризующаяся высоким его быстродействием по открытию золотника, а следовательно, быстрым заполнением поршневой камеры сжатым газом.

Постоянное сообщение штоковой и поршневой камер между собой через дроссельное отверстие штоковой камеры и с атмосферой через отверстие, выполненное в переднем фланце, позволяет управлять давлением в поршневой и штоковой камерах в соответствии с потребными скоростными характеристиками испытуемого изделия.

Размещение испытуемой пружины в герметичной емкости дает возможность при необходимости проводить испытания с максимальным приближением к эксплуатационным, т.е. в среде смазывающей жидкости, что имеет место при эксплуатации сильно нагруженных многожильных пружин сжатия, где большое значение на долговечность работы пружины оказывает межвитковое трение.

Размещение свободного конца направляющего стержня в штоке поршня, выполненного в виде трубки, обеспечивает его хорошую устойчивость на протяжении всего рабочего хода пружины, а главное позволяет сократить габариты, а следовательно, материалоемкость конструкции стенда.

Использование для возврата поршня испытуемой пружины упрощает конструкцию, делает ее более компактной и менее материалоемкой.

Изобретение поясняется фиг. 1, на которой изображено разгонно-тормозное устройство в разрезе.

Стенд содержит основание (на чертеже не показано), на котором закреплено разгонно- тормозное устройство, включающее цилиндр 1, снабженный поршнем 2 со штоком 3, разделяющий полость цилиндра 1 на поршневую 4 и штоковую 5 камеры. В поршне 2 выполнено дроссельное отверстие 6, постоянно соединяющее между собой эти камеры. Спереди цилиндр 1 закрыт фланцем 7, в котором выполнено дроссельное отверстие 8, соединяющее штоковую камеру 5 с атмосферой. Задний фланец разгонно-тормозного устройства выполнен в виде отсечного клапана 9 с пневматическим мембранно-пружинным исполнительным механизмом (см. Д.Ф. Гуревич "Трубопроводная арматура", справочное пособие, Ленинград, Машиностроение, Ленинградское отделение, 1981, стр.160, 184). Клапан 9 содержит мембрану 10, разделяющую его полость на большую по объему камеру 11 и малую по объему камеру 12. Большая камера 11 выполняет функцию ресивера стенда, а малая камера 12 является управляющей. На мембране 10 в центральной ее части закреплен золотник 13, поджатый к соответствующему ему торцу цилиндра 1 пружиной 14. Мембрана 10 и золотник 13 являются соответственно донной частью ресивера 11 и поршневой камеры 4. Ресивер 11 и управляющая камера 12 соединены через блок кондиционирования 15, например, БК-16.12-0 и пневмораспределитель 16, например, двухпозиционный пневмораспределитель ЗР-6-233-30 (условный проход 6 мм) с магистралью 17 сжатого газа, например, воздуха. Условные проходы трубопроводов 18 и 19, соединяющих пневмораспредилитель 16 с ресивером 11 и управляющей камерой 12, выбраны из условия более быстрого заполнения управляющей камеры 12 сжатым воздухом. Работа пневмораспределителя 16 предполагает при одном его положении возможность одновременной подачи воздуха в ресивер 11 и управляющую камеру 12 в соответствии с условными проходами трубопроводов 18 и 19, а при другом его положении перекрытие этих трубопроводов. Сброс сжатого воздуха из управляющей камеры 12 осуществляется через трубопровод 20, на котором установлен пневмораспределитель 21, например, П-Р13Э-25/10 (условный проход 25 мм). Для обеспечения быстрого освобождения управляющей камеры 12 от сжатого воздуха с целью повышения быстродействия клапана 9 трубопровод 20 и пневмораспределитель 21 выполнены с большим условным проходом. Пневмораспределители 16 и 21 работают в противофазе относительно друг друга. На переднем фланце 7 закреплена герметичная емкость 22 с возможностью заполнения ее смазывающей жидкостью. В полости емкости 22 консольно закреплен соосно штоку 3 и с обеспечением герметичности емкости 22 стержень 23, на котором размещена с упором в торец 24 штока 3 испытуемая пружина 25, упирающаяся в этот торец усилием, равным усилию ее предварительного поджатия при эксплуатации изделия, в котором данная пружина используется. Для обеспечения устойчивости стержня 23 на участке рабочего хода пружины 25 он своим свободным концом 26 введен в выполненное по оси штока 3 отверстие 27. Для смягчения удара поршня 2 о передний фланец 7 перед данным фланцем закреплен демпфер, выполненный, например, в виде резинового кольца 28 с отверстием 29, размеры и положение которого соответствуют дроссельному отверстию 8.

При испытании пружин с различным рабочим ходом на стержень надевается втулка 30, а в цилиндре 1 закрепляется демпфер 28 с соответствующими этому ходу размерами. Для расширения возможностей регулирования параметров ударного импульса дроссельные отверстия 6 и 8 выполнены регулируемыми, заполнение ресивера 11 сжатым газом производится под различным давлением. Возможно изменение также и веса подвижных частей, а именно, поршня 2. Управление стендом осуществляется с пульта (на чертеже не показан), обеспечивающего автоматический цикл его срабатывания с определенной частотой.

Стенд работает следующим образом. Перед началом работы в полость емкости 22 вводится с обеспечением герметичности этой емкости направляющий стержень 23 с установленной на нем испытуемой пружиной 25. В случае, если пружина 25 эксплуатируется в масляной среде, емкость 22 заполняется аналогичной смазкой. При введении стержня 23 с пружиной 25 в емкость 22 пружина 25, упираясь в торец 24 штока 3 поршня 2, смещает последний в исходное положение и удерживает его усилием предварительного поджатия. После этого ресивер 11 и управляющая камера 12 при открытом пневмораспределителе 16 заполняются сжатым воздухом. По завершении этой операции золотник 13 поджат к соответветствующему торцу цилиндра 1 суммарным усилием от возвратной пружины 14 и силы давления равной произведению поперечной площади цилиндра на давление сжатого воздуха. При заполнении ресивера 11 и управляемой камеры 12 сжатым газом трубопровод 20 перекрыт пневмораспределителем 21, обеспечивая тем самым герметичность управляющей камеры. По истечении времени, необходимого для заполнения ресивера 11 и управляющей камеры 12, автоматически закрывается пневмораспределитель 16 и открывается пневморапределитель 21, обеспечивая быстрое стравливание воздуха из управляющей камеры 12 и, как следствие этого, интенсивный отброс мембраны 10 с золотником 13 назад. В образовавшийся кольцевой зазор из ресивера 11 в поршневую камеру 4 устремляется воздух, который, воздействуя на поршень, смещает его вперед, а следовательно, через шток 3 сжимает и пружину 25. Одновременно с поступлением воздуха в поршневую камеру 4 заполняется через дроссельное отверстие 6 и штоковая камера 5, из которой в свою очередь газ выходит в атмосферу через дренажные отверстия 29 и 8, формируя таким образом противодавление в штоковой камере 5 в соответствии с требуемым законом. После смещения поршня 2 на величину рабочего хода пружины 25 он, ударяясь о демпфер 28, начинает движение вперед под действием сжатой пружины 25 и уменьшающегося остаточного давления в штоковой камере 5. После прихода поршня 2 в исходное положение и снижения давления в поршневой камере 4 до атмосферного с пульта на пневмораспределители 16 и 21 поступает необходимый сигнал, в результате чего пневмораспределитель 21 закрывается, а пневмораспределитель 16 открывается. Начинается заполнение ресивера 11 управляющей камеры 12 сжатым воздухом. После чего цикл повторяется с обеспечением требуемого характера нагружения пружины в режимах ее сжатия и разжатия.

Аттестация конструкции разгонно-тормозного устройства проведена в направлении возможного воспроизведения скоростной характеристики многожильной пружины (см. график, фиг. 2), работающей в накатнике пушки, что предполагает очень крутой передний фронт ударного импульса, воздействующего на данную пружину в момент выстрела. Постановка задачи требовала также повторения скоростной характеристики пружины и на главных участках ее работы. При параметрах разгонно-тормозного устройства:
Давление воздуха в ресивере, кг/см² - 10
Объем ресивера, см³ - 4000
Диаметр поршня, мм - 115
Масса подвижных частей, кг - 2,5
Площадь дроссельного отверстия поршня, мм² - 240
Площадь дроссельного отверстия цилиндра, мм² - 240
Площадь дроссельного отверстия управляемой камеры, мм² - 500
Ход поршня, мм - 350
Ход золотника, мм - 15
Усилие предварительного поджатия пружины, кг - 50
Усилие рабочего поджатия пружины, кг - 110
Рабочий ход пружины, мм - 350
была воспроизведена с достаточной точностью скоростная характеристика пружины (см. график, фиг. 2).

Положительный результат проделанной работы позволит предприятию использовать данный стенд при отработке на ресурс других пружин сжатия без проведения дорогостоящих натурных испытаний соответствующей спецтехники. Конструкция стенда предусматривает возможность его модернизации и под испытания пружин растяжения.

Источники информации
1. Д.Ф.Гуревич "Трубопроводная арматура" Справочное пособие. Ленинград, "Машиностроение", 1981 г.

2. А.с. N 1322105, МПК G 01 M 7/00.

3. А.с. N 1348686, МПК G 01 M 7/00.

4. А.с. N 1490529, МПК G 01 M 7/00.

5. А.с. N 1490531, МПК G 01 M 7/00.

Предложенное устройство относится к испытательной технике и предназначено для динамических испытаний пружин сжатия с обеспечением заданного режима нагружения. Стенд содержит пневматическое разгонно-тормозное устройство, включающее пневмоцилиндр, с поршнем и штоком. Полость цилиндра разделена на поршневую и штоковую камеры, соединенные между собой через дроссельное отверстие. Стенд содержит устройство возврата поршня в исходное положение, концентрично расположенный относительно поршня ресивер, подключенный к магистрали сжатого воздуха. Задний фланец цилиндра выполнен в виде отсечного клапана с пневматическим мембранно-пружинным исполнительным механизмом. Золотник и мембрана механизма являются соответственно донной частью поршневой камеры и ресивера. Штоковая и поршневая камеры постоянно сообщены между собой через дроссельное отверстие, выполненное в поршне. Штоковая камера сообщена также с атмосферой через дроссельное отверстие, выполненное в переднем фланце цилиндра. На цилиндре закреплена с возможностью заполнения смазывающей жидкостью герметичная емкость, в полости которой соосно штоку поршня консольно установлен направляющий стержень, на котором размещена с упором в торец штока поршня испытуемая пружина. Свободный конец направляющего стержня введен в выполненное по оси штока поршня отверстие, остаточная глубина которого не менее рабочего хода испытуемой пружины. Использование предложенного устройства повышает точность воспроизведения динамической нагрузки и увеличивает его быстродействие. 2 ил.

Стенд для динамических испытаний пружин сжатия, содержащий основание, пневматическое разгонно-тормозное устройство, включающее цилиндр, спереди и сзади закрытый фланцами, размещенный в центре поршень, снабженный штоком и разделяющий полость цилиндра на поршневую и шоковую камеры, соединенные между собой, устройство возврата поршня в исходное положение, концентрично расположенный относительно поршня ресивер, подключенный к магистрали сжатого воздуха, отличающийся тем, что задний фланец цилиндра выполнен в виде отсечного клапана с пневматическим мембранно-пружинным исполнительным механизмом, золотник и мембрана которого являются соответственно донной частью поршневой камеры и ресивера, а штоковая и поршневая камеры постоянно сообщены между собой через дроссельное отверстие, выполненное в поршне, причем штоковая камера сообщена также с атмосферой через дроссельное отверстие, выполненное в переднем фланце цилиндра, на котором закреплена с возможностью заполнения смазывающей жидкостью герметичная емкость, в полости которой соосно штоку поршня консольно установлен направляющий стержень, на котором размещена с упором в торец штока поршня испытуемая пружина, а свободный конец направляющего стержня введен в выполненное по оси штока поршня отверстие, остаточная глубина которого не менее рабочего хода испытуемой пружины.