УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИСПЫТАНИЯ МАТЕРИАЛОВ Российский патент 2002 года по МПК G01N3/32 

Изобретение относится к области испытаний материалов на прочность, а именно к устройствам для испытания материалов на циклическое кручение и изгиб.

Известен стенд для испытания торсионных валов на усталость от пульсирующих и знакопеременных крутящих моментов, содержащий редуктор предварительного натяга, качающееся коромысло, соединенное непосредственно с торсионными валами и несущее инерционный вибратор и привод. Этот стенд обеспечивает широкий диапазон испытаний по углу закручивания валов при хорошей плавности закручивания [1].

Недостатком описанного устройства являются невозможность проведения испытаний на высоких частотах нагружения из-за большой инерционности его элементов, а также невозможность проведения испытаний на циклический изгиб.

Известно устройство для испытания материалов на циклическое кручение, содержащее магнитоэлектрический привод для создания циклического крутящего момента, включающий постоянный магнит и подвешенную в его поле питаемую переменным током приводную катушку в виде рамки, и жестко связанный с катушкой подвижный элемент для передачи крутящего момента на испытуемый образец [2].

Известно также устройство для испытания материалов на циклическое кручение, содержащее магнитоэлектрический привод для создания циклического крутящего момента, включающий постоянный магнит и подвешенную в его поле питаемую переменным током приводную катушку в виде рамки, и жестко связанный с катушкой подвижный элемент для передачи крутящего момента на испытуемый образец, причем главные центральные моменты инерции приводной катушки и подвижного элемента выбраны из соотношения
J₀=(J₁+2J₂)•(1±α),
где J₀ - главный центральный момент инерции подвижного элемента,
J₁ - главный центральный момент инерции параллельных оси кручения проводников приводной катушки,
J₂ - главный центральный момент инерции перпендикулярных оси кручения проводников приводной катушки, α=0-0,15 [3].

Недостатком описанных устройств является невозможность проведения испытаний образцов на циклические кручение и изгиб при асимметричном нагружении. Недостатком также является отсутствие автоматической поддержки работы устройства в режиме автоколебаний, так как это кроме удобства позволяет более точно определить степень упрочнения или разупрочнения образца (по изменению частоты) с течением времени в процессе испытаний.

Наиболее близким к изобретению является устройство для испытания материалов на циклическое кручение, содержащее станину, установленные на ней соосные неподвижный и подвижный захваты и связанный с последним привод для создания циклического крутящего момента, причем устройство снабжено парой симметрично установленных относительно оси захватов рычагов, закрепленных одними концами на подвижном захвате с его противоположных сторон и перпендикулярно его оси, двумя траверсами, расположенными по разные стороны от рычагов параллельно им, четырьмя блоками, закрепленными на концах траверс, тремя гибкими тягами, одна из которых перекинута через все блоки, закреплена своими концами на свободных концах рычагов и предназначена для поворота рычагов в одном направлении, и механизмом натяжения этой гибкой тяги, а две другие тяги закреплены одними концами на других концах соответствующих рычагов и предназначены для фиксации рычагов после их поворота [4].

Недостатком описанного устройства является невозможность проведения комплексных испытаний на циклические кручение и изгиб при асимметричном нагружении.

Задачей изобретения является расширение диапазона испытываемых образцов и обеспечение возможности проведения комплексных испытаний на циклическое кручение, изгиб и растяжение-сжатие одновременно при асимметричном цикле нагружения в режиме автоколебаний на частоте, близкой к собственной.

Поставленная задача достигается тем, что устройство для испытания материалов, содержащее станину, установленные на ней соосные неподвижный и подвижный захваты и связанный с последним привод, причем подвижный захват включает элемент зажима и элемент нагружения, снабженный парой симметрично установленных относительно оси захватов рычагов, закрепленных одними концами на противоположных сторонах элемента нагружения перпендикулярно его оси, двумя траверсами, расположенными по разные стороны от рычагов параллельно им, четырьмя блоками, закрепленными на концах траверс, тремя гибкими тягами, одна из которых перекинута через все блоки, закреплена своими концами на свободных концах рычагов и предназначена для фиксации рычагов после их поворота, дополнительно снабжено активным и стационарным блоками фиксации образцов, испытываемых на изгиб и растяжение-сжатие, установленными соосно захватам, причем активный блок фиксации жестко соединен с элементами зажима и нагружения подвижного захвата с обеспечением возможности закрепления образцов перпендикулярно оси вращения, а стационарный блок фиксации жестко соединен со станиной с обеспечением возможности асимметричности нагружения образцов при испытаниях на циклический изгиб и растяжение-сжатие. Стационарный блок фиксации образцов, испытываемых на изгиб и растяжение-сжатие, содержит корпус, планшайбу, установленную с возможностью вращения и фиксации относительно корпуса, фиксирующие элементы, установленные с возможностью вращения и фиксации на штифтах, запрессованных в планшайбу, а также элементы крепления, обеспечивающие различные комбинации задаваемой нагрузки на образцы.

На фиг. 1 изображена принципиальная схема предлагаемого устройства, вид сбоку; на фиг.2 - вид спереди, на фиг.3 - конструктивное исполнение стационарного блока фиксации.

Устройство для испытания материалов состоит из станины 1, на которой соосно установлены неподвижный захват 2, подвижный захват, включающий зажимной элемент 3 и элемент нагружения 4, и связанный с последним привод 5, состоящий из постоянного магнита 6, приводной катушки в виде рамки 7, питаемой переменным током и установленной в подшипниках 8. На элементе нагружения 4 с его противоположных сторон закреплены одними концами рычаги 9, которые имеют поперечное сечение, уменьшающееся по мере удаления от оси элемента нагружения. На станине 1 закреплены две траверсы 10, расположенные по разные стороны от рычагов 9 параллельно им. На концах траверс закреплены блоки 11, которые огибает гибкая тяга 12, закрепленная своими концами на свободных концах рычагов 9 и предназначенная для поворота рычагов в одном направлении. Устройство снабжено механизмом натяжения гибкой тяги, выполненным в виде пары винт-гайка 13 и блоков 14, закрепленных на траверсе 10, и двумя другими гибкими тягами 15, закрепленными одними концами на концах рычагов 9 и предназначенными для фиксации рычагов после их поворота. На неподвижном и подвижном захватах закреплены измерительные датчики 16 и 17. В захватах крепится образец 18, испытываемый на циклическое кручение. Между элементами зажима 3 и нагружения 4 подвижного захвата жестко установлен активный блок фиксации 19, который предназначен для крепления образцов 20, испытываемых на циклические изгиб и растяжение-сжатие, с одного конца перпендикулярно оси. На станине 1 жестко крепится стационарный блок фиксации 21 (фиг.3), ось планшайбы 22 которого совпадает с осью колебательной системы (неподвижный захват - образец - подвижный захват - приводная катушка в виде рамки).

Стационарный блок фиксации состоит из корпуса 23, имеющего кольцевые пазы на заданном радиусе от оси вращения для возможности поворота на заданный угол и фиксации планшайбы 22, имеющей на внутренней торцевой поверхности конические зубья. Фиксация испытуемых образцов 20 осуществляется с помощью винтов 24, фиксирующих элементов 25, установленных на штифтах 26, винтов 27, служащих для жесткого крепления фиксирующих элементов 25 к планшайбе 22, винтов 28 и ключа 29. Штифты 26 запрессованы в планшайбу 22 на равном расстоянии от оси вращения. Винты 28 служат для крепления образцов 20 с противоположного конца от активного блока фиксации 19. Ключ 29 снабжен коническими зубьями, служащими для поворота планшайбы на требуемый угол.

Устройство работает следующим образом.

Испытуемый на циклическое кручение образец 18 устанавливается и фиксируется между неподвижным захватом 2 и зажимным элементом 3. Необходимая степень асимметрии нагружения достигается вращением пары винт-гайка 13, преобразующей вращательное движение гайки в поступательное перемещение винта, с роликом, натягивающим гибкую тягу 12, усилие от которой через систему траверс 10 и блоков 11 передается на концы рычагов 9, а далее через зажимной элемент 3 на испытуемый образец 18, который закручивается на требуемый угол. Таким образом, задается постоянная составляющая крутящего момента на испытуемый образец 18. При асимметричных знакопеременных циклах нагружения образца рычаги 9 лишаются перемещения по линии действия сил от гибкой тяги 12 с помощью гибких тяг 15 регулируемой длины, свободные концы которых крепятся на траверсах 10.

Затем устанавливаются в активный блок фиксации 19 перпендикулярно оси вращения образцы 20, испытываемые на циклические изгиб и растяжение-сжатие, и жестко фиксируются с одного конца. Вторым концом образцы 20 устанавливаются в фиксирующие элементы 25 стационарного блока фиксации 21, поворотом планшайбы 22 с помощью ключа 29 нагружаются до требуемой асимметрии изгибных напряжений и фиксируются. Фиксация осуществляется в следующей последовательности: сначала закрепляется планшайба 22 винтами 24, затем - образцы 20 винтами 28 и, наконец, - фиксирующие элементы винтами 27. Эта последовательность фиксации обеспечивает испытания на асимметричный изгиб при минимальных напряжениях растяжения-сжатия. Для увеличения напряжений растяжения-сжатия необходимо придерживаться следующей последовательности. Установленные образцы фиксируются винтами 28, затем изгибаются с растяжением до требуемых значений напряжений при вращении планшайбы 22 ключом 29, далее фиксируется планшайба винтами 24 и фиксирующие элементы 25 винтами 27.

Переменный ток, протекая по рамке 7, создает крутящий момент за счет взаимодействия тока рамки с магнитным полем постоянного магнита 6. Меняя частоту переменного тока, устройство вводится в режим резонансных колебаний.

Рычаги 9 и образцы 20, испытуемые на асимметричный изгиб, увеличивают жесткость всей колебательной системы, за счет чего повышается собственная резонансная частота колебаний устройства:
ω=[(C_c+C_p+C_о)/J_пр]^0,5,
где С_c - жесткость колебательной системы без рычагов и образцов;
С_р - жесткость рычагов;
С_о - жесткость образцов;
J_пр - приведенный момент инерции колебательной системы.

В предлагаемом устройстве можно определять параметры (собственная частота и амплитуда колебаний), характеризующие изменение механических свойств образцов в процессе испытаний, возможно проведение комплексных испытаний на циклические изгиб, кручение и растяжение-сжатие сразу нескольких образцов с различным поперечным сечением одновременно, более широкий диапазон возможных частот испытаний, причем испытания образцов на циклический изгиб можно проводить практически на любой гармонике частоты колебаний, повышается частота испытаний, автоматически поддерживается режим автоколебаний с частотой, близкой к собственной частоте колебаний образцов, что кроме удобства и экономичности позволяет более точно определять степень накопления усталостных повреждений образцов в процессе испытаний по параметрам колебательного процесса.

Источники информации
1. Авторское свидетельство СССР 626389, кл. G 01 N 3/32, 1978.

2. Авторское свидетельство СССР 403349, кл. G 01 N 3/38, 1972.

3. Авторское свидетельство СССР 637635, кл. G 01 N 3/38, 1978.

4. Авторское свидетельство СССР 1490576, кл. G 01 N 3/32, 1984.

Изобретение относится к области испытаний материалов на циклическое кручение и изгиб. Устройство для испытания материалов содержит станину, установленные на ней соосные неподвижный и подвижный захваты и связанный с последним привод, причем подвижный захват включает элемент зажима и элемент нагружения, снабженный парой симметрично установленных относительно оси захватов рычагов, закрепленных одними концами на противоположных сторонах элемента нагружения перпендикулярно его оси, двумя траверсами, расположенными по разные стороны от рычагов параллельно им, четырьмя блоками, закрепленными на концах траверс, тремя гибкими тягами, одна из которых перекинута через все блоки, закреплена своими концами на свободных концах, и механизмом натяжения этой гибкой тяги, а две другие тяги закреплены одними концами на других концах соответствующих рычагов. Устройство дополнительно снабжено дополнительными активным и стационарным блоками фиксации образцов, испытываемых на изгиб и растяжение-сжатие, установленными соосно захватам, причем активный блок фиксации жестко соединен с элементами зажима и нагружения подвижного захвата с обеспечением возможности закрепления образцов перпендикулярно оси вращения, а стационарный блок фиксации жестко соединен со станиной с обеспечением возможности асимметричности нагружения образцов при испытаниях на циклический изгиб и растяжение-сжатие, причем стационарный блок фиксации содержит корпус, планшайбу, установленную с возможностью вращения и фиксации относительно корпуса, фиксирующие элементы, установленные с возможностью вращения и фиксации на штифтах, запрессованных в планшайбу, а также элементы крепления, обеспечивающие различные комбинации задаваемой нагрузки на образцы. Данное изобретение направлено на расширение диапазона испытываемых образцов и проведение комплексных испытаний при асимметричном цикле нагружения в режиме автоколебаний на частоте, близкой к собственной. 3 ил.

Устройство для испытания материалов, содержащее станину, установленные на ней соосные неподвижный и подвижный захваты и связанный с последним привод, причем подвижный захват включает элемент зажима и элемент нагружения, снабженный парой симметрично установленных относительно оси захватов рычагов, закрепленных одними концами на противоположных сторонах элемента нагружения перпендикулярно его оси, двумя траверсами, расположенными по разные стороны от рычагов параллельно им, четырьмя блоками, закрепленными на концах траверс, тремя гибкими тягами, одна из которых перекинута через все блоки, закреплена своими концами на свободных концах рычагов и предназначена для поворота рычагов в одном направлении, и механизмом натяжения этой гибкой тяги, а две другие тяги закреплены одними концами на других концах соответствующих рычагов и предназначены для фиксации рычагов после их поворота, отличающееся тем, что оно снабжено дополнительными активным и стационарным блоками фиксации образцов, испытываемых на изгиб и растяжение - сжатие, установленными соосно захватам, причем активный блок фиксации жестко соединен с элементами зажима и нагружения подвижного захвата с обеспечением возможности закрепления образцов перпендикулярно оси вращения, а стационарный блок фиксации жестко соединен со станиной с обеспечением возможности асимметричности нагружения образцов при испытаниях на циклический изгиб и растяжение-сжатие, причем стационарный блок фиксации содержит корпус, планшайбу, установленную с возможностью вращения и фиксации относительно корпуса, фиксирующие элементы, установленные с возможностью вращения и фиксации на штифтах, запрессованных в планшайбу, а также элементы крепления, обеспечивающие различные комбинации задаваемой нагрузки на образцы.