УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИХ ОБРАЗЦОВ, ПРЕИМУЩЕСТВЕННО ПОЛИМЕРНЫХ, НА СЖАТИЕ Российский патент 2005 года по МПК G01N3/08 

Изобретение относится к средствам испытаний материалов и может быть использовано для измерения ползучести и восстановительных деформационных процессов обувных полимерных материалов, происходящих после полной или частичной разгрузки. Изобретение может быть использовано в научных, учебных и промышленных лабораториях, где возникает необходимость более точного изучения деформационных свойств материалов или возникает необходимость использования более точных характеристик деформационных свойств.

Наиболее близким по совокупности существенных признаков к предлагаемому изобретению является устройство для испытания образцов на сжатие, включающее камеру в виде стакана для размещения в ней испытуемого образца, пуансон для взаимодействия с образцом, средство для снятия деформационной характеристики, связанное с узлом регистрации (патент РФ №2163715, МПК G 01 N 3/08, опубл. 27.02.2001).

Изобретение относится к средствам испытаний материалов и может быть использовано для измерения модуля упругости и прочности неметаллических материалов. Устройство для испытания на сжатие состоит из камеры в виде стакана, пуансона и измерительных датчиков. На камеру, в основании которой выполнен паз, установлена крышка с отверстиями под верхнюю часть ступенчатого пуансона и для втулок, в которые установлены измерительные датчики с щупами, упирающимися в выступающую часть пуансона, находящуюся у его нижнего основания. Датчики соединены с измерительным и информационным блоками. На верхнем торце пуансона имеется сферическое углубление, в которое установлена центрирующая плита со сферическим выступом для равномерного распределения давления по площади сечения образца, а на нижнем торце выполнен паз симметрично пазу в основании камеры для фиксации образца по центру.

Однако использование известного технического решения недостаточно эффективно, т.к. при проведении испытаний получают прочностную характеристику, которая имеет прямое отношение к разрушению образца и не отражает деформационные свойства материала, помимо этого отсутствует возможность осуществлять процесс частичного разгружения и записи получаемой деформации во времени.

Техническим результатом изобретения является получение более точных деформационных характеристик за счет измерения деформации испытуемого материала после частичного разгружения образца на заданную величину, что позволяет определить характеристику деформационной жесткости как отношение снимаемой нагрузки к соответствующей изменяющейся величине деформации образца.

Поставленная задача достигается тем, что в устройстве для измерения неметаллических образцов, преимущественно полимерных на сжатие, включающем механизм нагружения, камеру в виде стакана с крышкой, в которой установлены опора с пазами и пуансон, на верхнем торце которого расположено сферическое углубление, в которое установлено центрирующее средство со сферическим выступом для равномерного распределения давления по площади сечения образца, средство для снятия деформационной характеристики, связанное с узлом регистрации. Механизм нагружения выполнен из каркаса, в котором установлен разгружающий двигатель, жестко связанный с площадкой, на которой установлены разгружающие стержни, проходящие через верхние отверстия в каркасе, а на каркасе между этими стержнями установлен нагружающий двигатель со стержнями нагружения, на которые опираются съемные нижний и верхний дополнительный грузы, выполненные в виде шайбы с прорезью посередине, причем размеры нижней шайбы не превышают расстояние между стержнями разгружающего двигателя, а размеры дополнительного груза превышают расстояние между разгружающими стержнями, а подвеска рабочей площадки через петлю навешивается на верхний рычаг системы рычагов, с соотношением плеч рычага 1:10, выполненный в форме вилки, огибающей рабочий стержень пуансона, шарнирно закрепленный на верхней опоре станины и связанный шарнирно через тягу, на которой жестко закреплен уравновешивающий груз, с нижним рычагом, с соотношением его плеч 5:1, который шарнирно закреплен на нижней опоре станины и связан с рабочим стержнем шарнирным соединением, нижний конец которого имеет цилиндрический наконечник со сферическим выступом, упирающимся в углубление на пуансоне, изготовленном в виде шайбы, выполненное для равномерного распределения давления по площади сечения образца. Средство для снятия деформационной характеристики выполнено в виде сельсин-датчика, установленного на станине и жестко связанного с рабочим стержнем пуансона через рычаг. Опора выполнена в виде шайбы, снизу которой выполнено углубление для ее центрирования по высоте регулировочным винтом, ввернутым в рабочий стол станины. Камера в виде стакана с крышкой выполнена разъемной, состоящая из двух половин, в которых вертикально установлены нагревательные элементы по всей окружности равномерно.

Основная задача изобретения заключается в создании устройства, позволяющего увеличить точность испытаний и достоверность показаний за счет учета вязкоупругих свойств, происходящих во времени, проведения испытаний в зоне неразрушающих нагрузок, соответствующих условиям эксплуатации.

На фиг.1, 2 представлены схема устойства и деформации после нагружения и разгружения образца.

Устройство для измерения образцов неметаллических, преимущественно полимерных на сжатие (фиг.1), состоит из механизма нагружения, расположенного на каркасе (8), системы рычагов, шарнирно связанной с опорами на станине и взаимодействующей с механизмом нагружения через подвеску (1), сельсин-датчика (2), находящегося на станине и жестко связанного с рабочим стержнем (3) через рычаг (4), самописца (5), который получает сигнал от сельсин-датчика (2), станины (6) и камеры (7) в виде стакана, состоящего из двух половин, в которых вертикально установлены нагревательные элементы по всей окружности равномерно (на чертеже не показано). Сверху камеры установлена крышка (30), которая имеет отверстие под наконечник (24).

Механизм нагружения, который дополнительно выполняет функцию частичного разгружения, имеет каркас (8) и два двигателя со стержнями. Разгружающий двигатель (9) установлен в основании каркаса (8) и жестко связан с площадкой (10), на которой установлены разгружающие стержни (11), проходящие через верхние отверстия в каркасе (8). Между этими стержнями, на верху каркаса установлен нагружающий двигатель (12) со стержнями нагружения (13), на которые опираются съемные нижний груз (14) и верхний дополнительный груз (15), выполненные в виде шайбы с прорезью посередине, причем размеры нижней шайбы не превышают расстояние между стержнями разгружающего двигателя, а размеры дополнительного груза превышают расстояние между разгружающими стержнями. При работе устройства нагружающие стержни, опускаясь, передают груз на рабочую площадку (16) подвески (1), которая проходит через съемные нижний и дополнительные грузы и подвешивается на верхний рычаг (17) системы рычагов, шарнирно закрепленный на верхней опоре (18) станины (6). Рычаг (17) выполнен в форме вилки, огибающей рабочий стержень (3) и шарнирно связанной с тягой (19), на которой жестко закреплен уравновешивающий груз (20). Тяга (19) шарнирно прикреплена к рычагу (21) системы рычагов, который шарнирно закреплен на нижней опоре (22) станины (6) и связан с рабочим стержнем (3) шарнирным соединением (23). Нижний конец рабочего стержня имеет цилиндрический наконечник (24) со сферическим выступом, упирающимся в углубление на пуансоне (25) в виде шайбы, выполненного для равномерного распределения давления по площади сечения образца. Пуансон (25) сжимает образец (26), лежащий на опорной шайбе (27), которая имеет снизу углубление для ее центрирования по высоте регулировочным винтом (28), ввернутым в рабочий стол (29) станины (6), в зависимости от толщины образца (1-10 мм). Пуансон и опорная шайба выполнены с пазами для центрирования образца. Камера (7) в виде стакана с возможностью нагрева, расположена на рабочем столе станины и охватывает пуансон, образец и опорную шайбу.

В устройстве для испытания на сжатие, включающем механизм нагружения, расположенный на корпусе, систему рычагов, шарнирно связанной с опорами на станине и взаимодействующей с механизмом нагружения через подвеску, сельсин-датчик, находящийся на станине и жестко связанный с рабочим стержнем через рычаг, самописец, который получает сигнал от сельсин-датчика, станину (6) и камеру в виде стакана с возможностью нагрева. Исследуемый образец (26) из пенополиэтилена толщиной 2 мм устанавливают между пуансоном (25) и опорной шайбой (27), в пазы. С помощью регулировочного винта (28), ввернутого в рабочий стол (29) станины (6), устраняют зазоры. В центре верхней части пуансона имеется углубление, куда вставляется наконечник (24). Далее кладут нижний груз (14) и верхний дополнительный груз (15) на нагружающие стержни (13). Для проведения испытаний в диапазоне температур (0-100°С) прибор снабжается разъемной камерой (7) в виде стакана с крышкой (30), состоящей из двух половин, в которых вертикально установлены нагревательные элементы по всей окружности равномерно. Камера устанавливается на пальцы (31) рабочего стола (29). Крышка (30) камеры имеет отверстие под наконечник (24). Груз (20) служит для уравновешивания системы рычагов.

Эксперимент начинается с того, что включают нагружающий двигатель (12) механизма нагружения, который опускает нагружающие стержни (13), поддерживающие нижний (14) и верхний дополнительный (15) грузы, нагружая тем самым рабочую площадку (16) подвески (1), которая подвешена на верхний рычаг (17). Подвеска, опускаясь под массой груза, тянет вниз верхний рычаг (17), шарнирно закрепленный на верхней опоре (18) станины (6) и шарнирно связанный с тягой (19), тем самым поднимая ее и нижний рычаг (21), связанный с тягой (19) шарниром и закрепленный на нижней опоре (22) станины (6). Нижний рычаг, связанный с рабочим стержнем (3) шарнирным соединением (23), поднимаясь, опускает рабочий стержень (3), передавая ему усилие нагрузки, увеличенное в 50 раз, за счет соотношения плеч верхнего рычага 1:10 и нижнего 5:1 соответственно. Данное усилие рабочий стержень (3) через наконечник (24) со сферическим выступом передает на пуансон (25), который сжимает образец (26). Причем рабочий стержень (3), опускаясь при нагружении и поднимаясь при разгружении, вызывает поворот ротора сельсин-датчика (2), установленного на станине (6) посредством рычага (4), жестко связанного с рабочим стержнем (3). При этом на выходе роторной обмотки появляется э.д.с., величина которой пропорциональна углу поворота рычага и, следовательно, деформации образца. Полученный сигнал преобразуется с помощью схемы (на чертеже не показана) и передается на самописец (5), который фиксирует результат на ленте в виде графика (фиг.2). По истечении заданного интервала времени включается разгружающий электродвигатель (9), установленный в основании каркаса (8), который поднимает площадку (10) с разгружающими стержнями (11), снимающими верхний дополнительный груз (15), тем самым частично разгружая рабочую площадку (14), и испытуемый образец (26), аналогичным способом.

Выполнение системы рычагов с соотношением плеч 10:1 верхнего и 5:1 нижнего рычагов обеспечивает увеличение усилие нагрузки в 50 раз, для работы с маловесными грузами. Наличие сельсин-датчика и самописца, принимающего сигналы с датчика, позволяет повысить эффективность работы устройства за счет оперативного получения результатов испытаний в виде графика проведения испытания и цифровых величин.

Результаты эксперимента приведены в таблице и на графиках (фиг.2), из которых видно, что более точные (стабильные) деформации испытуемого материала проявляются после частичного разгружения образца на заданную величину, что позволяет определить характеристику деформационной жесткости как отношение снимаемой нагрузки к соответствующей изменяющейся величине деформации образца.

Таблица
Деформации образцаНагружение,Разгружение(1 кг)Полное (1 кг)Частичное (0,5 кг)Время t, минДеформация ε, %Время t, минДеформация ε, %Время t, минДеформация ε, %00    0,14,652,11,552,13,650,254,752,251,42,253,60,54,82,51,32,53,614,8531,2533,624,941,243,6

Площадь образца: F=0,62 м²

Δσ=ΔР/F [Па]

Δσ=16,13 Па - при полном разгружении

Δσ=8,06 Па - при частичном разгружении

Модуль упругости:

E=Δσ/Δε=0,44 кПа - при полном разгружении

Е=Δσ/Δε=0,62 кПа - при частичном разгружении

На (фиг.2) показаны графики деформации образца. (32) - график, полученный при нагружении образца. (33) - график деформации, полученный при частичной разгрузке образца. (34) - график деформации, полученный при полной разгрузке образца.

Изобретение относится к средствам испытаний материалов и может быть использовано для измерения ползучести и восстановительных деформационных процессов полимерных материалов, происходящих после полной или частичной разгрузки. Устройство содержит механизм нагружения, камеру в виде стакана с крышкой, в которой установлены опора с пазами и пуансон со сферическим углублением на верхнем торце, в котором установлено центрирующее средство со сферическим выступом для равномерного распределения давления по площади сечения образца, средство для снятия деформационной характеристики, связанное с узлом регистрации. Механизм нагружения выполнен из каркаса, в котором установлен разгружающий двигатель, жестко связанный с площадкой, на которой установлены разгружающие стержни, проходящие через верхние отверстия в каркасе. На каркасе между этими стержнями установлен нагружающий двигатель со стержнями нагружения, на которые опираются съемные нижний и верхний дополнительный грузы, выполненные в виде шайбы с прорезью посередине. Причем размеры нижней шайбы не превышают расстояние между стержнями разгружающего двигателя, а размеры дополнительного груза превышают расстояние между разгружающими стержнями. При этом подвеска рабочей площадки через петлю навешивается на верхний рычаг системы рычагов, с соотношением плеч 1:10, выполненный в форме вилки, огибающей рабочий стержень пуансона, шарнирно закрепленный на верхней опоре станины, и связанный шарнирно через тягу, на которой жестко закреплен уравновешивающий груз, с нижним рычагом, с соотношением его плеч 5:1. При этом нижний рычаг шарнирно закреплен на нижней опоре станины и связан с рабочим стержнем шарнирньм соединением, нижний конец которого имеет цилиндрический наконечник со сферическим выступом, упирающимся в углубление на пуансоне, изготовленном в виде шайбы. Средство для снятия деформационной характеристики выполнено в виде сельсин-датчика, установленного на станине и жестко связанного с рабочим стержнем пуансона через рычаг. Опора выполнена в виде шайбы, снизу которой выполнено углубление для ее центрирования по высоте регулировочным винтом, ввернутым в рабочий стол станины. Камера в виде стакана с крышкой, выполнена разъемной, состоящей из двух половин, в которых вертикально установлены нагревательные элементы по всей окружности равномерно. Технический результат изобретения - получение более точных деформационных характеристик за счет измерения деформации испытуемого материала после частичного разгружения образца на заданную величину, что позволяет определить характеристику деформационной жесткости как отношение снимаемой нагрузки к соответствующей изменяющейся величине деформации образца. 4 з.п. ф-лы., 2 ил.

1. Устройство для измерения неметаллических образцов, преимущественно полимерных, на сжатие, включающее механизм нагружения, камеру в виде стакана с крышкой, в которой установлены опора с пазами и пуансон, на верхнем торце которого расположено сферическое углубление, в которое установлено центрирующее средство со сферическим выступом для равномерного распределения давления по площади сечения образца, средство для снятия деформационной характеристики, связанное с узлом регистрации, отличающееся тем, что механизм нагружения выполнен из каркаса, в котором установлен разгружающий двигатель, жестко связанный с площадкой, на которой установлены разгружающие стержни, проходящие через верхние отверстия в каркасе, а на каркасе между этими стержнями установлен нагружающий двигатель со стержнями нагружения, на которые опираются съемные нижний и верхний дополнительный грузы, выполненные в виде шайбы с прорезью посередине, причем размеры нижней шайбы не превышают расстояние между стержнями разгружающего двигателя, а размеры дополнительного груза превышают расстояние между разгружающими стержнями, подвеска рабочей площадки через петлю навешивается на верхний рычаг системы рычагов с соотношением плеч рычага 1:10, выполненный в форме вилки, огибающей рабочий стержень пуансона, шарнирно закрепленный на верхней опоре станины и связанный шарнирно через тягу, на которой жестко закреплен уравновешивающий груз, с нижним рычагом, с соотношением его плеч 5:1, который шарнирно закреплен на нижней опоре станины и связан с рабочим стержнем шарнирным соединением, нижний конец которого имеет цилиндрический наконечник со сферическим выступом, упирающимся в углубление на пуансоне, выполненным для равномерного распределения давления по площади сечения образца.2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что камера в виде стакана с крышкой выполнена разъемной, состоящей из двух половин, в которых вертикально установлены нагревательные элементы по всей окружности равномерно.3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что пуансон выполнен в виде шайбы.4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что опора выполнена в виде шайбы, снизу которой выполнено углубление для ее центрирования по высоте регулировочным винтом, ввернутым в рабочий стол станины.5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что средство для снятия деформационной характеристики выполнено в виде сельсин-датчика, установленного на станине и жестко связанного с рабочим стержнем пуансона через рычаг.