МАШИНА ДЛЯ ИСПЫТАНИЯ ОБРАЗЦОВ НА УСТАЛОСТЬ Российский патент 2003 года по МПК G01N3/32 

Изобретение относится к машинам для испытания на усталость, в частности к устройствам для экспериментального определения характеристик выносливости образцов конструкционных материалов под действием напряжений, изменяющихся во времени по гармоническому (синусоидальному) закону, и может быть использовано в машиностроении.

Известна машина для испытания образцов на усталость при изгибе (авторское свидетельство СССР 1223082, кл. G 01 N 3/32, 1986 г.), содержащая приспособление для консольного закрепления образца, механизм изменения амплитуды деформации образца, захват образца, шарнирно связанный с кривошипно-шатунным возбудителем циклических перемещений через рычаг первого рода.

Недостатком конструкции является низкая достоверность результатов испытаний, связанная с невозможностью обеспечения точного воспроизведения гармонической (синусоидальной) формы цикла нагружения. Конструкция не обеспечивает точного выдерживания амплитудных значений напряжения в образце в случае появления в нем усталостной трещины. Машину невозможно использовать для испытаний образцов на усталость при растяжении-сжатии и кручении.

Наиболее близким техническим решением является конструкция машины для испытания образцов на усталость при растяжении-сжатии (авторское свидетельство СССР 1285345, G 01 N 3/32, 1987 г.), содержащая привод вращения, кинематически связанный с ним механизм нагружения, выполненный в виде связанных между собой, соосно расположенных приводного и нагружающего дисков, на каждом из которых размещены равномерно расположенные по окружности захваты для образцов и приспособление для наклона нагружающего диска относительно приводного.

Недостатком конструкции является низкая достоверность результатов испытаний, обусловленная высокой вероятностью искажения синусоидальной формы цикла и низкой точностью его воспроизведения в случае возникновения в одном или нескольких образцах усталостных трещин, а также вследствие неизбежного механического взаимодействия приводного диска с приспособлением для наклона нагружающего диска. Конструкция машины не позволяет изменять коэффициент асимметрии цикла. Машина не обладает универсальностью, так как ее конструкция не позволяет использовать машину для испытаний на изгиб и кручение.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение достоверности результатов испытаний при одновременном их упрощении и удешевлении.

Техническим результатом, который может быть достигнут, является высокая точность воспроизведения гармонической (синусоидальной) формы цикла и высокой степени универсальности машины как в плане широты диапазонов изменения коэффициентов асимметрии цикла и амплитудных значений нагрузок, так и в плане возможности реализации испытаний различных образцов различными видами нагружения (изгиб, растяжение-сжатие, кручение и т.д.), что позволяет упростить и удешевить проведение различных усталостных испытаний за счет возможности их реализации на одной испытательной машине.

Этот технический результат достигается тем, что известная машина для испытания образцов на усталость, содержащая фундамент, рычаг, привод вращения, механизм нагружения, захваты образца, согласно изобретению дополнительно снабжена противовесом и грузом, причем гармоническую (синусоидальную) составляющую передаваемой на образец циклической нагрузки формирует груз, установленный с возможностью вращения с постоянной угловой скоростью вокруг жестко связанной с рычагом оси, а статическую составляющую передаваемой на образец циклической нагрузки формирует жестко закрепленный на рычаге противовес; при этом рычаг соединен с фундаментом шарнирно и имеет относительно фундамента одну вращательную степень подвижности в вертикальной плоскости, причем один из захватов образца связан с фундаментом, а другой захват образца кинематически связан с рычагом через устройство передачи усилия на захваты образца.

Механизм нагружения выполнен с возможностью изменения радиуса вращения центра масс для изменения амплитуды гармонической (синусоидальной) составляющей циклической нагрузки, передаваемой на захваты образца.

Механизм нагружения снабжен противовесом, который установлен с возможностью перемещения по рычагу для изменения статической составляющей циклической нагрузки, передаваемой на захваты образца.

Привод вращения выполнен с возможностью изменения угловой скорости вращения центра масс механизма нагружения для изменения частоты циклов нагружения, передаваемых на захваты образца.

Машина снабжена набором устройств передачи усилия на захваты образца, каждое из которых позволяет реализовать один из видов нагружения: растяжение-сжатие, изгиб, кручение и т.д.

Высокая точность воспроизведения гармонической (синусоидальной) формы циклов видна из рассмотрения кинематической схемы действующей машины и возникающих при этом сил и моментов.

Сущность изобретения поясняется иллюстрациями фиг.1-6.

На фиг.1 представлена кинематическая схема машины для испытания образцов на усталость с вариантом устройства передачи усилия на захваты образца для испытаний на консольный изгиб, вид сбоку.

На фиг.2 представлена кинематическая схема машины для испытания образцов на усталость, вид сверху.

На фиг.3 представлена кинематическая схема устройства передачи усилия на захваты образца для испытаний по схеме трехточечного изгиба.

На фиг.4 представлен график зависимости силы, передаваемой на устройство передачи усилия на захваты образца, от времени, а также основные параметры цикла нагружения.

На фиг.5 представлен общий вид машины для испытания образцов на усталость с вариантом устройства передачи усилия на захваты образца для испытаний на сжатие, вид сбоку.

На фиг.6 представлен общий вид машины для испытания образцов на усталость, вид 3/4 сверху.

Машина для испытания образцов на усталость (фиг.1 и 2) содержит фундамент 1 со стойками 2, на которых на радиально-упорных подшипниках 3 установлен рычаг 4, причем радиально-упорные подшипники 3 установлены соосно. Привод вращения выполнен в виде электродвигателя 5, жестко закрепленного на рычаге 4.

Механизм нагружения содержит: противовес 6, который установлен на резьбовом хвостовике 7 рычага 4 с возможностью перемещения по резьбовому хвостовику 7 и фиксации в требуемом положении; груз 8, который установлен на диске 9, жестко соединенном с валом электродвигателя 5, причем груз 8 установлен с возможностью перемещения по диску 9 в радиальном направлении и фиксации в требуемом положении.

Устройство передачи усилия на захваты образца для испытания на консольный изгиб (фиг. 1) содержит: верхний шарнир 10, закрепленный на рычаге 4, тягу 11, нижний шарнир 12, подвижный захват образца 13, образец для испытаний на консольный изгиб 14, неподвижный захват образца 15, причем захват 15 жестко закреплен на фундаменте 1.

Устройство передачи усилия на захваты образца для испытаний по схеме трехточечного изгиба (фиг. 3) содержит: верхний шарнир 10, закрепленный на рычаге 4, тягу 11, нижний шарнир 12, подвижный захват образца 13, образец для испытаний по схеме трехточечного изгиба 14, неподвижный захват образца 15, причем захват 15 жестко закреплен на фундаменте 1.

Машина работает следующим образом (фиг.1 и 2).

При включении электродвигателя 5 диск 9 с закрепленным на нем грузом 8 вращается с постоянной угловой скоростью ω. Изменение положения груза 8 вследствие вращения диска 9 приводит к изменению вертикально направленной силы Р, действующей на шарнир 10 со стороны устройства передачи усилия на захваты образца.

Исходя из условия равновесия рычага 4 относительно оси радиально-упорных подшипников 3, на основании правила моментов справедливо уравнение:
М_к+M₁+М₂+М₃+М₄=0,
где М_к - момент, обусловленный несовпадением центра масс системы, включающей рычаг 4 с резьбовым хвостовиком 7, электродвигатель 5, диск 9, шарнир 10, тягу 11, шарнир 12 и захват 13, с осью радиально-упорных подшипников 3;
M₁ - момент, обусловленный действием веса противовеса 6;
M₂ - момент, обусловленный действием веса груза 8;
М₃ - момент, обусловленный действием центробежной силы на груз 8;
М₄-момент, обусловленный действием силы
При этом М_к является величиной постоянной и определяется исходя из конструктивных соображений;
M₁=m₁gl₁,
где m₁ - масса противовеса 6;
g - ускорение свободного падения;
l₁ - горизонтальная проекция расстояния от центра масс противовеса 6 до оси подшипников 3;
M₂=m₂g(L+Rcosϕ),
где m₂ - масса груза 8;
L - расстояние от оси вращения диска 9 до оси подшипников 3;
R - расстояние от оси вращения диска 9 до центра масс груза 8;
ϕ - угол поворота диска 9 от положения, соответствующего наибольшему удалению центра масс груза 8 от оси подшипников 3 (исходного положения груза 8), при этом ϕ = ωt,
где t - время, прошедшее с момента прохождения грузом 8 исходного положения;
М₃=F_цбh cosωt,
где F_цб - величина центробежной силы, действующей на груз 8 при вращении диска 9, F_цб = m₂ω²;
h - расстояние от плоскости вращения центра масс груза 8 до оси подшипников 3;
М₄=Рl₂,
где l₂ - горизонтальная проекция расстояния от оси шарнира 12 до оси подшипников 3.

При условии, что ось шарнирного соединения рычага с фундаментом (то есть ось подшипников 3) лежит в плоскости вращения центра масс груза 8 (что выполняется при h=0) и центр масс системы, включающей электродвигатель 5, диск 9, рычаг 4 с резьбовым хвостовиком 7, противовес 6 и шарнир 10, также лежит в плоскости вращения центра масс груза 8 (что может быть обеспечено конструктивными средствами), из условия равенства нулю суммы моментов, действующих на рычаг 4, следует, что

Введя новые обозначения



получаем (фиг.3), что
P = P_asinωt₁+P_ср = P_asinωt₁+P_ст,
где P_a - амплитуда силы Р;
P_cp - среднее значение силы Р за один цикл нагружения;
P_ст - статическая составляющая нагрузки на образец.

где Т - период нагружения (продолжительность цикла).

Таким образом, приложенная к образцу сила Р изменяется во времени по синусоидальному (гармоническому) закону.

При использовании устройства передачи усилия на захваты образца для испытания на консольный изгиб (фиг.1) сила Р воспринимается верхним шарниром 10, закрепленным на рычаге 4, и через тягу 11, нижний шарнир 12 и подвижный захват образца 13 передается на образец для испытаний на консольный изгиб 14, который при помощи неподвижного захвата 15 жестко закреплен на фундаменте 1.

При использовании устройства передачи усилия на захваты образца для испытания по схеме трехточечного изгиба (фиг.3) сила Р воспринимается верхним шарниром 10, закрепленным на рычаге 4, и через тягу 11 и нижний шарнир 12 передается на образец для испытаний по схеме трехточечного изгиба 14, который при помощи неподвижного захвата 15 и подвижного захвата 13 закреплен на фундаменте 1.

Регулировка величины Р_а (фиг. 3) производится путем изменения радиуса вращения R груза 8 за счет перемещения его по диску 9 (фиг. 2).

Регулировка величины P_сp (P_ср) (фиг.3) производится путем изменения величины l₁ за счет перемещения противовеса 6 по резьбовому хвостовику 7 (фиг. 2).

Регулировка величины ω и Т (фиг.3) производится путем изменения частоты вращения электродвигателя 5 (фиг.2).

Неизменность во времени величин R, L, l₁, l₂, ω, М_к, m₁, m₂ в процессе циклического нагружения образца обеспечивает высокую точность воспроизведения гармонической (синусоидальной) формы цикла.

Возможность изменения величин R, ω, l₁ во время регулировки машины обеспечивает широкие диапазоны изменения коэффициента асимметрии цикла и амплитудных значений нагрузки.

Возможность применения набора сменных устройств для передачи усилия на захваты образца позволяет осуществить нагружение различных образцов различными видами нагружения: растяжение-сжатие, изгиб, кручение и т.д.

Реальная конструкция машины для испытания образцов на усталость с устройством передачи усилия на захваты образца для испытания на сжатие представлена на фотографиях (фиг.5 и 6). Конструкция разработана с учетом требования h= 0 (фиг. 1), а также снабжена тремя резьбовыми хвостовиками и балластом для расширения диапазона значений силы Р. Между электродвигателем и диском установлен многоступенчатый редуктор для расширения диапазона значений ω и Т. В устройство передачи усилия на захваты образца может быть дополнительно включена рычажная система для расширения диапазона амплитудных значений силы Р.

По сравнению с прототипом повышаются точность воспроизведения гармонической (синусоидальной) формы цикла и универсальность машины как в плане широты диапазонов изменения коэффициента асимметрии цикла, амплитудных значений нагрузок и частоты нагружения, так и в плане возможности реализации испытаний различных образцов различными видами циклического нагружения, за счет чего повышается достоверность результатов различных видов испытаний на усталость при одновременном их упрощении и удешевлении за счет проведения на одной машине.

Машина может быть использована не только для экспериментального определения характеристик выносливости образцов конструкционных материалов под действием напряжений, изменяющихся во времени по гармоническому (синусоидальному) закону, но и для прецизионного циклического нагружения малоразмерных образцов при экспериментальном исследовании закономерностей изменения микроструктуры конструкционных материалов под действием циклических нагрузок.

Изобретение относится к машинам для испытания на усталость. Машина для испытания образцов на усталость содержит фундамент, рычаг, привод вращения, механизм нагружения, захваты образца, снабжена противовесом и грузом, причем гармоническую (синусоидальную) составляющую передаваемой на образец циклической нагрузки формирует груз, установленный с возможностью вращения с постоянной угловой скоростью вокруг жестко связанной с рычагом оси, а статическую составляющую передаваемой на образец циклической нагрузки формирует жестко закрепленный на рычаге противовес; при этом рычаг соединен с фундаментом шарнирно и имеет относительно фундамента одну вращательную степень подвижности в вертикальной плоскости, причем один из захватов образца связан с фундаментом, а другой захват образца кинематически связан с рычагом через устройство передачи усилия на захваты образца. 3 з.п.ф-лы, 6 ил.

1. Машина для испытания образцов на усталость, содержащая фундамент, рычаг, устройство передачи усилия на захваты образца, захваты образца и механизм нагружения, состоящий из противовеса, груза и привода вращения, отличающаяся тем, что гармоническую (синусоидальную) составляющую передаваемой на образец циклической нагрузки формирует груз, установленный с возможностью вращения с постоянной угловой скоростью вокруг жестко связанной с рычагом оси, а статическую составляющую передаваемой на образец циклической нагрузки формирует жестко закрепленный на рычаге противовес; при этом рычаг соединен с фундаментом шарнирно и имеет относительно фундамента одну вращательную степень подвижности в вертикальной плоскости, причем один из захватов образца связан с фундаментом, а другой захват образца кинематически связан с рычагом через устройство передачи усилия на захваты образца. 2. Машина по п. 1, отличающаяся тем, что противовес установлен с возможностью перемещения по рычагу для изменения статической составляющей нагрузки, передаваемой на захваты образца. 3. Машина по п. 1, отличающаяся тем, что груз установлен с возможностью изменения радиуса вращения для изменения гармонической (синусоидальной) составляющей нагрузки, передаваемой на захваты образца. 4. Машина по п. 1, отличающаяся тем, что привод вращения выполнен с возможностью изменения частоты вращения для изменения периода гармонической (синусоидальной) составляющей нагрузки, передаваемой на захваты образца.