ЗАХВАТНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИСПЫТАНИЙ ОБРАЗЦОВ НА РАСТЯЖЕНИЕ Российский патент 2004 года по МПК G01N3/04 

Изобретение относится к области захватных устройств для испытаний на растяжение плоских образцов из высокоэластичных материалов, например, из резины, преимущественно, для длительных испытаний на растяжение.

Известно захватное устройство для испытаний плоских резиновых образцов на растяжение [(1), стр.140; (2), стр.90], содержащее корпус с механизмом сжатия образца, две зажимные губки, взаимодействующие с корпусом устройства и механизмом их сжатия, содержащего винт или эксцентрик, и устройство для подсоединения захватного устройства к силовому механизму разрывной машины.

Удержание образца происходит за счет трения при сжатии губок захватного устройства винтом или эксцентриком. Но при недостаточных силах сцепления и больших растягивающих нагрузках образец может выскальзывать из зажима даже при кратковременных испытаниях. Для повышения трения в губках их контактирующие с образцом поверхности выполняются рифлеными или волнообразными. Это позволяет уменьшить как чрезмерное сжатие образца, так и "выползание" его из захватного устройства во время испытаний.

Тем не менее, такая конструкция захватного устройства при длительных испытаниях на растяжение не обеспечивает надежного закрепления образца, так как происходящий в материале образца с течением времени испытаний процесс релаксации напряжений приводит к уменьшению силы трения образца с губками захватного устройства и, как следствие, к "разуплотнению" захвата и смещению образца [(3), стр.251].

Указанный недостаток устраняется в известных захватных устройствах самозатягивающегося типа с шарнирным соединением зажимных губок или с зажимными роликами.

В данных устройствах степень сжатия и "самозатягивания" зажимных губок возрастает соответственно увеличению растягивающего усилия разрывной машины.

Например, в устройстве [(1), стр.142, рис.56] два ролика скользят в наклонных пазах навстречу друг другу и по мере утонения образца при растяжении сила затягивания образца не уменьшается, а возрастает.

Однако при длительных испытаниях на растяжение такая конструкция захватного устройства с неконтролируемым усилием сжатия образца в зажимной части может привести к чрезмерной местной пластической деформации резины, усталости материала и, как следствие, к "перекусыванию" образца и его последующему разрыву в захватном устройстве.

Известно [(3), стр.272], что при длительном нагружении на растяжение разрыв резины под влиянием усталости происходит при нагрузке, составляющей лишь 70% от кратковременной прочности материала на разрыв.

Известно также [(3), стр.407], что для механизма сжатия плоских резиновых прокладок между двумя плоскостями, что схоже с механизмом зажима образца в губках захватного устройства, оптимальная деформация сжатия составляет ~ 30%, а деформация сжатия для резиновых прокладок, находящихся в пазах в "утопленном" состоянии [(4), стр.59], не должна превышать 30%.

Таким образом, главным недостатком упомянутых выше известных захватных устройств является невозможность обеспечения и сохранения во время испытаний надежного закрепления и удержания образца в захватном устройстве из-за неконтролируемого усилия его сжатия.

Указанные недостатки частично устраняются в конструкции захватного устройства согласно aвт. св. SU 1370503 (далее по тексту (5)), которое позволяет повысить надежность закрепления образца путем снижения концентрации напряжений в захватной части образца.

Согласно (5), захват для образцов содержит корпус с наклонными плоскостями и клиновыми вкладышами (зажимными губками). При этом с целью повышения надежности удержания образца на рабочих поверхностях клиновых вкладышей (зажимных губок) выполнены поперечные пазы, в которых размещены нажимные упругие элементы прямоугольной формы, толщина которых изменяется по данной в (5) формуле. Тем самым при сведении клиновых вкладышей (зажимных губок) усилие сжатия на образец контролируется по определенной, приводимой в (5) формуле.

Несмотря на то, что захватное устройство по (5) предназначено для зажима не "деформируемых" ("мягких") образцов, например, из резины, как в предлагаемом нами устройстве, а для зажима "жестких", например, металлических образцов, при зажиме которых происходит деформация не образца, а элементов клиновых вкладышей, а именно, нажимных упругих элементов, выполненных из материала, модуль упругости которого меньше модуля упругости клиновых вкладышей, на наш взгляд, конструкция захватного устройства по а.с. SU 1370503 по своему основному отличительному признаку, а именно, повышению надежности зажима образца путем снижения концентрации напряжений в захватной части образца, наиболее близка к предлагаемому нами устройству.

Недостатком всех упомянутых выше захватных устройств при испытаниях на растяжение при температуре, отличной от комнатной, особенно при длительных испытаниях, является также их существенно большие габариты по сравнению с размерами образца. Это приводит к увеличению рабочего объема используемых при испытаниях нагревательных или криогенных устройств.

Предлагаемым изобретением решается задача повышения работоспособности захватного устройства за счет надежной фиксации резинового образца при испытаниях на растяжение, особенно при длительных испытаниях, с одновременным уменьшением его габаритных размеров.

Поставленная задача решается тем, что в известном захватном устройстве, содержащем корпус с механизмом сжатия образца, две взаимодействующие с ним и с силовым механизмом испытательной машины зажимные губки, снабженные на внутренних рабочих поверхностях поперечными выступами, последние расположены на расстоянии с шагом, равным (2-3) толщинам зажимной части образца, и смещены на губках друг относительно друга на полшага, при этом высота и ширина выступов составляет (0,2-0,5) от толщины зажимной части образца, а общая длина каждого из выступов составляет (0,5-0,7) от ширины зажимной части образца.

Отличительными признаками и главным преимуществом предлагаемого захватного устройства перед известными является расположение поперечных выступов на внутренних рабочих поверхностях зажимных губок с шагом, равным (2-3) толщинам образца в зажимной части, и смещение их на губках друг относительно друга на полшага, при этом высота и ширина выступов составляет (0,2-0,5) от толщины образца, а общая длина каждого из выступов составляет (0,5-0,7) от ширины зажимной части образца.

Благодаря такому выполнению и расположению предлагаемых выступов на рабочих поверхностях зажимных губок захватного устройства в материале зажимной части резинового образца в областях, контактирующих с предлагаемыми выступами, образуются участки с высокой контролируемой местной пластической деформацией, которые периодически чередуются по длине зажимной части образца с участками с малой степенью пластической деформации материала вне областей расположения предлагаемых выступов, что обеспечивает надежную длительную фиксацию образца в предлагаемом захватном устройстве без его разрушения или ослабления усилия прижима.

Предлагаемое захватное устройство иллюстрируется чертежами, представленными на фиг. 1-5.

На фиг.1, 2, 3 приведены в трех основных проекциях взаимные расположения заявляемого захватного устройства и размещенной в нем лопаточной части образца с подсоединением к разрывной машине. При этом на верхних частях чертежей образец изображен в первоначальном (после установки) незажатом положении, а в нижних частях чертежей в рабочем, зажатом, положении.

Фиг. 1 - основной вид - вид сбоку (вид на боковую поверхность захватной части образца и зажимного устройства).

Фиг.2 - вид сверху (вид на верхний торец захватной части образца и зажимного устройства).

Фиг. 3 - вид слева (вид на плоскость захватной части образца и зажимного устройства).

На фиг.4, 5 приведены в увеличенном масштабе относительные размеры и расположение предлагаемых выступов на рабочих сторонах зажимных губок захватного устройства и положение зажимной части образца с условным изображением схемы деформирования материала образца в виде параллельных линий. При этом, как и ранее в верхних частях чертежей устройство и образец изображены в первоначальном, незажатом, положении, а в нижних частях чертежей в рабочем, зажатом, положении.

Фиг. 4 - вид сбоку (вид на боковую поверхность захватной части образца и зажимного устройства).

Фиг. 5 - вид слева (вид на плоскость захватной части образца и зажимного устройства).

Приводимые размеры и конструкция относятся к захватному устройству для испытаний плоских резиновых образцов лопаточного "типа I" с основными размерами согласно ГОСТа 270-75, а именно:
общая длина образца - l₁=115 мм,
толщина образца - d=2 мм,
ширина зажимной части образца - b₁=25 мм.

При этом предположительная длина (расчетная) зажимной части образца составляет (L = 1₁-l₂/2) от 20 до 25 мм.

Согласно фиг. 1-3 лопаточная часть образца (1) размещена в коробчатом корпусе (2) захватного устройства между рабочими поверхностями зажимных губок - верхней (3), подвижной относительно корпуса устройства, и нижней (4) неподвижной с выступами соответственно (5) и (6). Нижняя губка имеет на одном конце упор (7), взаимодействующий с корпусом устройства, а на другом конце механизм, например, в виде штифта (8) для закрепления устройства к захвату (9) разрывной машины.

Верхняя губка имеет упоры (10, 11) с обоих концов для устранения ее продольного перемещения относительно корпуса захватного устройства и взаимодействует при закреплении (сжатии) образца с ним и с зажимным механизмом, выполненным в корпусе устройства, например, в виде двух зажимных винтов (12).

Относительные размеры и расположение предлагаемых нами поперечных выступов (5), (6) на рабочих поверхностях соответственно верхней (3) и нижней (4) зажимных губок, выполненных согласно изобретения и составляющих главное преимущество предлагаемого захватного устройства, приведены на фиг. 4, 5, где:
δ₁, δ₂ - высота и ширина выступа,
t - расстояние между соседними выступами (шаг) на каждой из зажимных губок,
t/2 - смещение выступов верхней губки относительно выступов нижней губки,
а - длина выступа,
d - толщина материала образца в зажимной части,
b₁, L - ширина и длина зажимной части образца.

Для приведенного примера:
δ₁=δ₂=0,5d, t=2,5d, a=0,65 b₁.

В общем случае заявляемые нами эти соотношения для предлагаемого захватного устройства составляют:
δ₁=(0,2-0,5)d, δ₂=(0,2-0,5)d, t=(2-3)d, a=(0,5-0,7)b₁.

Приведенные соотношения являются основными отличительными признаками предлагаемого изобретения, благодаря которым достигается надежная длительная фиксация образца в захватном устройстве без его разрушения или ослабления усилия зажима.

При этом по длине выступ может представлять собой как сплошную "линию-выступ", так и ряд коротких выступов с промежутками между ними.

Работа заявляемого захватного устройства заключается в следующем. Образец (1) своей зажимной (лопаточной) частью помещается между внутренними рабочими поверхностями зажимных губок (3, 4) захватного устройства.

Вращением винтов (12) зажимного механизма производится перемещение подвижной (3) губки в корпусе (2) навстречу поверхности зажимной части образца, прижатие его к неподвижной (4) губке захватного устройства, а затем и сжатие образца. При этом в материале образца в районах, контактируемых с поперечными выступами на зажимных губках, происходит пластическая деформация резины в интервале 20-50% при незначительной пластической деформации на остальной площади зажимной части образца.

Аналогично производится сборка предлагаемого захватного устройства на другом зажимном конце образца.

Затем оба захватных устройства, соединенных закрепленным в них образцом, подсоединяются с помощью штифтов (8) к захватам (9) разрывной машины и производится нагружение образца растяжением.

При этом упоры зажимных губок обеспечивают их фиксацию относительно корпуса зажимного устройства, а комбинация периодической контролируемой местной высокопластичной деформации материала образца в интервале 30-50% в районе выступов с малой пластической деформацией в остальной части материала захватной части образца - надежную фиксацию образца в устройстве при испытании на растяжение.

Предлагаемое устройство позволяет использовать его для испытаний плоских резиновых образцов при растяжении, преимущественно для длительных испытаний и испытаний при температурах, отличных от комнатных. Оно имеет малые габариты, простую конструкцию и обеспечивает надежную фиксацию образца при испытаниях на растяжение, особенно при длительных испытаниях, без его разрушения в зажимной части или ослабления усилия зажима во время испытаний.

Источники информации
1. М. М. Резниковский, А.М. Лукомская. Механические испытания каучука и резины. Изд. "Химия", М., 1964 г.

2. Г.Ш.Израелит. Механические испытания резины и каучука. Гос. научно-техническое изд-во хим. лит-ры, Л. - М., 1940 г.

3. В.А.Лепетов. Резиновые технические изделия. Гос. научно-техн. изд-во хим. лит-ры, Л., 1969 г.

4. Вакуумные системы и их элементы. Справочник-атлас. Под ред. д.т.н. В. Д.Лубенца. "Машиностроение", М., 1968 г.

5. Авторское свидетельство SU 1370503. Захват образцов при испытании на растяжение.

Изобретение относится к захватным устройствам для испытания на растяжение плоских образцов из высокоэластичных материалов. Захватное устройство для испытаний образцов на растяжение содержит корпус с механизмом сжатия образца, две взаимодействующие с ним и силовым механизмом испытательной машины зажимные губки, снабженные на внутренних рабочих поверхностях поперечными выступами. При этом выступы каждой из губок расположены на расстоянии с шагом, равным 2-3 толщинам зажимной части образца, и смещены на губках друг относительно друга на полшага, при этом высота и ширина выступов составляет 0,2-0,5 толщины зажимной части образца, а общая длина каждой из них составляет 0,5-0,7 ширины зажимной части образца. Изобретение решает задачу повышения работоспособности захватного устройства за счет надежной фиксации резинового образца при испытаниях на растяжение с одновременным уменьшением его габаритных размеров. 5 ил.

Захватное устройство для испытаний образцов на растяжение, содержащее корпус с механизмом сжатия образца, две взаимодействующие с ним и силовым механизмом испытательной машины зажимные губки, снабженные на внутренних рабочих поверхностях поперечными выступами, отличающееся тем, что выступы каждой из губок расположены на расстоянии с шагом равным 2-3 толщинам зажимной части образца и смещены на губках друг относительно друга на полшага, при этом высота и ширина выступов составляет 0,2-0,5 от толщины зажимной части образца, а общая длина каждой из них составляет 0,5-0,7 от ширины зажимной части образца.