УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИСПЫТАНИЙ ОБРАЗЦОВ ВОЛОКОННЫХ СВЕТОВОДОВ НА МЕХАНИЧЕСКУЮ УСТАЛОСТЬ Российский патент 2008 года по МПК G01M11/00 

Изобретение относится к устройствам для измерения параметров процесса механической усталости волоконных световодов.

Известно устройство-аналог, позволяющее измерять параметры процесса усталостного разрушения волоконных световодов, - это универсальная разрывная машина [1]. В результате испытания образцов световода на разрывной машине получают распределение прочности световода, то есть эмпирическую оценку вероятности реализации того или иного значения его разрывной прочности. Затем измеренные значения параметров распределения прочности используют при прогнозировании долговечности световодов и изделий на их основе. Как правило, ошибки определения параметров распределения прочности уменьшаются с увеличением суммарной длины испытанных образцов. При проведении испытаний на разрывных машинах обычно увеличивают длину образцов, чтобы за то же время испытать образцы большей суммарной длины и получить более достоверную информацию о параметрах распределения прочности световодов. Например, существуют уникальные экземпляры разрывных машин, допускающие испытания образцов длиной 10 м и более. Однако такие разрывные машины являются очень дорогими устройствами.

Известно устройство-прототип для механических испытаний образцов световодов путем одновременного воздействия на них напряжениями статического осевого растяжения и динамического кручения [2]. Устройство-прототип имеет:

- вертикальное основание;

- узел с верхним зажимом для фиксации верхнего конца испытываемого образца;

- расположенный по вертикали под узлом верхнего зажима узел с нижним зажимом для фиксации нижнего конца образца, узел обеспечивает возможность вертикального перемещения нижнего зажима и препятствует его вращению относительно вертикальной оси;

- расположенный в узле верхнего зажима привод для управляемого вращения верхнего зажима относительно вертикальной оси;

- расположенный в узле верхнего зажима индикатор разрушения образца волоконного световода.

Недостаток устройства-прототипа состоит в том, что нагружаемая длина испытываемых образцов световодов ограничена. Управление индикатором разрушения образцов в устройстве-прототипе осуществляется с помощью механической тяги, связывающей между собой узлы с верхним и нижним зажимами. Ее длина практически совпадает с длиной испытываемых образцов. Опыт использования устройства-прототипа показывает, что работоспособность устройства сохраняется, если длина тяги, то есть расстояние по вертикали между узлами с верхним и нижним зажимами, не превышает ˜1 м. Поэтому с помощью устройства-прототипа удается испытывать образцы длиной до 1 м.

Целью предлагаемого изобретения является расширение диапазона изменения длин испытываемых образцов.

Поставленная цель достигается благодаря тому, что предлагаемое устройство для испытаний образцов волоконных световодов на механическую усталость имеет:

- вертикальное основание;

- узел с верхним зажимом для фиксации верхнего конца испытываемого образца;

- расположенный по вертикали под узлом верхнего зажима узел с нижним зажимом для фиксации нижнего конца образца, узел обеспечивает возможность вертикального перемещения нижнего зажима и препятствует его вращению относительно вертикальной оси;

- расположенный в узле верхнего зажима привод для управляемого вращения верхнего зажима относительно вертикальной оси;

- расположенный в узле верхнего зажима индикатор разрушения образца волоконного световода,

согласно изобретению:

- верхний зажим установлен с возможностью перемещения между двумя положениями равновесия в узле верхнего зажима, соответствующими двум состояниям образца: «образец цел» и «образец разрушен»;

- а индикатор разрушения образца волоконного световода выполнен с возможностью переключения его состояния при перемещении верхнего зажима из одного положения равновесия в другое.

Основание испытательного устройства может быть выполнено в виде вертикального стержня или трубы. Предпочтительно использовать трубу большого поперечного сечения и разместить узлы с верхним и нижним зажимами внутри трубы. Для доступа к узлам устройства и закрепления тестируемых образцов в зажимах труба-основание имеет люки.

ПЕРЕЧЕНЬ ФИГУР ГРАФИЧЕСКИХ ИЗОБРАЖЕНИЙ

Фиг.1. Принципиальная схема устройства для испытаний образцов волоконных световодов на механическую усталость. Положение деталей соответствует состоянию «образец цел». В качестве основания может быть использована труба большого поперечного сечения, представленная на фиг.4.

Фиг.2. Принципиальная схема устройства для испытаний образцов волоконных световодов на механическую усталость согласно фиг.1. Положение деталей соответствует состоянию «образец разрушен». В качестве основания может быть использована труба большого поперечного сечения, представленная на фиг.4.

Фиг.3. Пример реализации устройства для испытаний образцов волоконных световодов на механическую усталость. Положение деталей соответствует состоянию «образец цел». Основание испытательного устройства - труба большого поперечного сечения представлено на фиг.4.

Фиг.4. Пример реализации основания испытательного устройства в виде трубы большого поперечного сечения.

Фиг.5. Пример реализации устройства для испытаний образцов волоконных световодов на механическую усталость. Здесь, в отличие от устройства на фиг.3, между штоком и рычагом установлена втулка. Положение деталей соответствует состоянию «образец цел». В качестве основания может быть использована труба большого поперечного сечения, представленная на фиг.4.

Фиг.6. Пример реализации устройства для испытаний образцов волоконных световодов на механическую усталость согласно фиг.5. Положение деталей соответствует состоянию «образец разрушен». В качестве основания может быть использована труба большого поперечного сечения, представленная на фиг.4.

Фиг.7. Пример реализации устройства для испытаний образцов волоконных световодов на механическую усталость Здесь, в отличие от устройства на фиг.5, в механизме переключения индикатора разрушения образца вместо противовеса введена пружина. Положение деталей соответствует состоянию «образец цел». В качестве основания может быть использована труба большого поперечного сечения, представленная на фиг.4.

Принципиальная схема предлагаемого устройства для испытаний образцов волоконных световодов на механическую усталость представлена на фиг.1. Основанием испытательного устройства может быть вертикальный стержень, как у устройства-прототипа, или труба, на которых закрепляют узлы испытательного устройства. Предпочтительно использовать в качестве основания вертикальную трубу большого поперечного сечения с люками для доступа к установленным внутри трубы узлам устройства и закрепления тестируемых образцов в зажимах. Труба-основание большого поперечного сечения может выполнять также функцию защитного экрана, улавливая осколки разрушившихся образцов волокна. Труба может быть сделана из пластика, металла или других материалов. Пример реализации трубы-основания большого поперечного сечения приведен на фиг.4. Для упрощения остальных рисунков основание испытательного устройства на них не показано.

Устройство содержит узел с верхним зажимом для закрепления верхнего конца образца световода. Вращение верхнего зажима относительно вертикальной оси осуществляется посредством размещенных на основании узла верхнего зажима 1 электродвигателя 2 и редуктора 3. В узле верхнего зажима расположен индикатор разрушения образца 4. Управление электродвигателем и индикатором разрушения осуществляется с помощью компьютера.

Индикатор разрушения образца 4 состоит из оптопары светодиод-фотодиод и установленного на штоке 5 флажка 6, который открывает/перекрывает световой пучок в оптопаре в соответствии с положением штока 5 по вертикали.

Использование шагового электродвигателя (ШД) позволяет обойтись без измерителя угла поворота верхнего зажима, поскольку для высокоточного определения значения угла достаточно подсчитать количество шагов, выполненных ШД. При использовании других типов электродвигателей необходим измеритель угла поворота верхнего зажима. Для передачи вращения на верхний зажим используется имеющий квадратное сечение шток 5, на нижнем конце которого крепится верхний зажим 7. При проведении испытания в верхнем зажиме закрепляется верхний конец образца волоконного световода. Шток установлен в квадратном отверстии, выполненном в центре ведомой шестерни 8 редуктора 3. Шток может перемещаться в вертикальном направлении во время вращения шестерни. Ход штока ограничен верхним 9 и нижним 10 ограничителями, укрепленными на штоке. Два положения равновесия верхнего зажима по вертикали соответствуют положениям штока у этих ограничителей. Ход штока выбирается таким, чтобы его было достаточно для открывания/перекрывания светового пучка в оптопаре индикатора разрушения 4. В верхней части штока укреплена тарелка 11. Между тарелкой 11 и верхним торцом 12 шестерни 8 установлена пружина 13, жесткость которой выбрана так, что она сжимается под действием суммарного веса верхнего зажима 7 и каретки 15 с нижним зажимом 16 до упора верхнего ограничителя 9 в верхний торец 12 шестерни 8. Под действием веса одного верхнего зажима 7 пружина 13 смещает шток 5 до упора нижнего ограничителя 10 в нижний торец 14 шестерни 8.

Узел с нижним зажимом состоит из основания 17, на котором установлены две вертикальные направляющие 18 и 19. Вдоль направляющих может перемещаться каретка 15 с закрепленным на ней нижним зажимом 16. Каретка снабжена стопорным винтом 20 для фиксации ее положения на направляющих. Вертикальное расстояние между узлами с верхним и нижним зажимами определяется выбранной длиной испытываемых образцов, соображениями удобства обслуживания испытательной установки и возможностями рабочего помещения.

Предлагаемое устройство для испытаний образцов волоконных световодов на механическую усталость функционирует следующим образом. Перед закреплением образца для тестирования его прочности каретку 15 с нижним зажимом поднимают по направляющим 18 и 19 в крайнее верхнее положение и фиксируют ее в этом положении с помощью стопорного винта 20. Затем закрепляют образец волокна 38 в зажимах 7 и 16 испытательного устройства. После закрепления образца в зажимах отпускают стопорный винт 20, так что каретка 15 с нижним зажимом 16 повисает на образце световода. Под действием суммарного веса верхнего зажима 7 и каретки 15 с нижним зажимом 16 шток 5 с помощью тарелки 11 сжимает пружину 13 и смещается по вертикали вниз до упора верхнего ограничителя 9 в верхний торец 12 шестерни 8. При этом верхний зажим 7 занимает положение равновесия, соответствующее состоянию «образец цел», и флажок 6 открывает световой пучок в оптопаре светодиод-фотодиод индикатора разрушения образца 4. Для управляющего компьютера открывание светового пучка в индикаторе разрушения образца означает, что устройство с образцом подготовлено к проведению испытания и «образец цел».

После этого включается ШД и образец 38 подвергается закручиванию относительно вертикальной оси. В процессе испытания образец волоконного световода испытывает одновременное воздействие статического осевого растяжения за счет суммарного веса каретки 15 с нижним зажимом 16 и напряжения динамического кручения, создаваемого с помощью ШД. После достижения нормальным механическим напряжением в образце разрушающего значения и разрушения образца верхний зажим освобождается от действия суммарного веса каретки 15 с нижним зажимом 16, и пружина 13 с помощью тарелки 11 смещает шток 5 с верхним зажимом 7 до упора нижнего ограничителя 10 в нижний торец 14 шестерни 8 (см. фиг.2). При этом верхний зажим перемещается по вертикали в положение равновесия, соответствующее состоянию «образец разрушен», и флажок 6 перекрывает световой пучок в оптопаре индикатора разрушения образца. Для управляющего компьютера перекрытие светового пучка в индикаторе разрушения означает, что «образец разрушен» привод останавливается и фиксируется значение угла поворота ϕ верхнего зажима относительно оси образца, выполненного с момента начала испытания. Значение разрушающего нормального напряжения рассчитывается на компьютере с помощью известного соотношения [2]:

где l - нагружаемая длина образца, - действующее на образец напряжение статического осевого растяжения, W - суммарный вес каретки 15 с нижним зажимом 16, R_of - радиус стеклянной части волокна, Е и ν - соответственно, модуль Юнга и коэффициент Пуассона материала образца. Для кварцевых стекол Е˜7200 кгс/мм², ν≈0.1682.

Скорость нагружения при закручивании образца составляет:

Скорость нагружения оказывается постоянной при постоянной скорости закручивания образца .

Таким образом, предлагаемое устройство характеризуется новыми признаками, каждый из которых является необходимым, а их совокупность позволяет достичь нового технического свойства: выполнить испытания на механическую усталость образцов волоконных световодов произвольной длины путем одновременного воздействия на них напряжениями статического осевого растяжения и динамического кручения. Вертикальное расстояние между узлами с верхним и нижним зажимами определяется длиной тестируемых образцов и возможностями помещения, в котором расположено испытательное устройство. Нами это устройство применяется для испытания образцов длиной более 1 м.

ПРИМЕРЫ РЕАЛИЗАЦИИ

На фиг.3 представлен пример реализации устройства для испытаний образцов волоконных световодов на механическую усталость. Устройство содержит узел с верхним зажимом для закрепления верхнего конца образца световода. Управляемое вращение верхнего зажима относительно вертикальной оси осуществляется с помощью привода, размещенного на основании узла верхнего зажима 1. Привод состоит из ШД 2 и перечисленной ниже совокупности элементов, которые передают крутящий момент от электродвигателя к верхнему зажиму. В узле верхнего зажима расположен индикатор разрушения образца 4. Управление электродвигателем и индикатором разрушения осуществляется с помощью компьютера. На выходном валу электродвигателя закреплен поводок 21, в нижней полке которого имеется квадратное отверстие, выполненное так, что его центр находится на оси вращения поводка. В отверстии может перемещаться по вертикали верхняя часть штока 22 квадратного сечения. Размер верхней части штока выбран таким, чтобы обеспечить ее свободное вертикальное перемещение в квадратном отверстии поводка 21 и в то же время передать на шток крутящий момент от вала электродвигателя. В средней части штока выполнен кольцевой выступ 23. Шток 22 установлен с возможностью вращения в отверстии рычага 24, причем кольцевой выступ 23, диаметр которого больше диаметра отверстия, опирается своим нижним торцом на верхнюю поверхность рычага 24. Верхний зажим 7 закреплен на нижней части хвостовика штока 22. Вес верхнего зажима составляет 0,11 кгс. При проведении испытаний в верхнем зажиме закрепляют верхний конец образца волоконного световода.

Возможность перемещения верхнего зажима между двумя положениями равновесия реализуется за счет того, что верхняя часть штока 22 может перемещаться по вертикали на 4 мм в квадратном отверстии поводка 21 в соответствии с положением рычага 24. Один конец рычага 24 закреплен шарнирно. Свободный конец рычага может перемещаться между двумя ограничителями: верхним 25 и нижним 26. Два положения равновесия верхнего зажима по вертикали соответствуют положениям рычага 24 у этих ограничителей. К свободному концу рычага 24 посредством нити 27, перекинутой через блок 28, прикреплен противовес 29. Для нормальной работы устройства необходимо, чтобы верхняя поверхность находящегося на ограничителе 26 рычага 24 была расположена горизонтально.

Длина рычага от шарнира до точки закрепления нити 27 равна 80 мм. Длина рычага от шарнира до центра отверстия, в котором вращается шток 22, составляет 45 мм. Вес рычага не превышает 0,02 кгс. Вес противовеса 29 выбран равным 0,13 кгс.

Индикатор разрушения образца 4 состоит из оптопары светодиод-фотодиод и установленного на рычаге 24 флажка 6, который открывает/перекрывает световой пучок в оптопаре в соответствии с положением по вертикали верхнего зажима.

Узел с нижним зажимом состоит из основания 17, на котором установлены две вертикальные направляющие 18 и 19. Вдоль направляющих может перемещаться каретка 15 с закрепленным на ней нижним зажимом 16. Вес каретки с нижним зажимом составляет 0,23 кгс. Каретка снабжена стопорным винтом 20 для фиксации ее положения на направляющих. Нижний узел устанавливают непосредственно под узлом с верхним зажимом. Вертикальное расстояние между узлами зависит от длины испытываемых образцов и ограничивается лишь возможностями помещения, в котором располагается испытательное устройство.

В качестве основания испытательного устройства (см. фиг.4) используется вертикальная труба, представляющая собой металлический короб 33 сечением 0,2 м × 0,2 м и высотой ˜4 м, внутри которого на стенках закреплены узлы устройства. Передняя стенка короба выполнена в виде двух дверец 34 и 35 высотой 2 м каждая. Дверцы укреплены на петлях 36, обеспечивая доступ к узлам испытательного устройства для их обслуживания и закрепления образцов в зажимах. Короб также защищает операторов от осколков разрушившегося волокна. Для удобства использования испытательного устройства короб-основание смонтирован на передвижной тележке 37.

При испытании образцов длиной более 4 м испытательное устройство может быть размещено в шахте лестничной клетки. Лестницу можно использовать для обслуживания узлов испытательного устройства, находящихся на большом расстоянии друг от друга по вертикали. Узел с верхним зажимом можно разместить на укрепленной в стене шахты лестничной клетки консоли, так чтобы отвес, подвешенный на верхнем зажиме, не касался ступеней лестницы. Узел с нижним зажимом можно установить на полу цокольного этажа в соответствии с положением отвеса. В этом случае вертикальным основанием испытательного устройства является шахта лестничной клетки, то есть труба сечением 4 м × 4 м и высотой 16 м (размеры шахты лестничной клетки ИРЭ РАН). Согласно словарю русского языка «труба - это длинный полый предмет или устройство» [3].

Устройство для испытаний образцов волоконных световодов на механическую усталость, представленное на фиг.3, функционирует следующим образом. Перед закреплением образца для тестирования его прочности каретку 15 с нижним зажимом поднимают по направляющим 18 и 19 в крайнее верхнее положение и фиксируют ее в этом положении стопорным винтом 20. Затем закрепляют образец 38 в зажимах испытательного устройства и отпускают стопорный винт 20, так что каретка с нижним зажимом повисает на образце световода, который передает суммарный вес каретки с нижним зажимом на верхний зажим. Вес противовеса 29 подобран таким образом, что в отсутствие образца рычаг 24 находится на верхнем ограничителе 25. После закрепления образца в испытательном устройстве рычаг 24 под действием передаваемого посредством штока 22 с кольцевым выступом 23 суммарного веса верхнего зажима и каретки с нижним зажимом перемещается на нижний ограничитель 26. При этом верхний зажим занимает положение равновесия, соответствующее состоянию «образец цел», и флажок 6 открывает световой пучок в оптопаре светодиод-фотодиод. Для управляющего компьютера это означает, что «образец цел».

После этого включается ШД и образец подвергается закручиванию относительно вертикальной оси. В процессе испытания образец световода 38 испытывает одновременное воздействие статического осевого растяжения и напряжения динамического кручения. После достижения нормальным механическим напряжением в образце разрушающего значения и разрушения образца верхний зажим освобождается от действия веса каретки 15 с нижним зажимом 16 и противовес 29 перемещает рычаг 24 до верхнего ограничителя 25. При этом связанный с рычагом посредством штока 22 с кольцевым выступом 23 верхний зажим перемещается в положение равновесия, соответствующее состоянию «образец разрушен», и флажок 6 перекрывает световой пучок в оптопаре светодиод-фотодиод. Для управляющего компьютера это означает, что «образец разрушен», привод останавливается и фиксируется значение угла поворота ϕ верхнего зажима, выполненного с момента начала испытания.

Пример реализации устройства, в котором иначе, чем в устройстве на фиг.3, реализован механизм переключения индикатора разрушения, представлен на фиг.5 (образец цел) и фиг.6 (образец разрушен). Согласно этому варианту выполнения узла с верхним зажимом шток 22 опирается нижней торцевой поверхностью кольцевого выступа 23 не непосредственно на рычаг 24, а на верхнюю поверхность втулки 30, которая качается в рычаге на двух полуосях 31. Введение в конструкцию устройства втулки 30 позволяет упростить регулировку механизма, снимая требование горизонтальной ориентации верхней поверхности находящегося на ограничителе 26 рычага 24.

Третий пример реализации предлагаемого устройства представлен на фиг.7. Здесь, в отличие от устройства на фиг.5, вместо нити 27, блока 28 и противовеса 29 используется пружина 32.

Источники информации

1. International Electrotechnical Commission. Draft International Standard 86A/302/DIS, Project number 86A/793-1-3/Ed.1.

2. Шушпанов О.Е., Чаморовский Ю.К., Шварев А.Н., Демин И.Б., Дяченко А.А. Устройство для испытаний образцов волоконных световодов на механическую усталость. Патент РФ на изобретение № 2200309. Приоритет от 06.02.2001 г. Зарегистрирован в Государственном реестре изобретений РФ 10.03.2003 г.

3. Словарь русского языка в четырех томах. АН СССР, Институт русского языка. М., «Русский язык», т.4, 1984 г.

Изобретение относится к устройствам для измерения параметров процесса механической усталости волоконных световодов. Устройство имеет узлы верхнего и нижнего зажимов, привод для прецизионного управляемого вращения верхнего зажима относительно вертикальной оси и индикатор разрушения образца волоконного световода. Узел нижнего зажима обеспечивает свободное перемещение нижнего зажима в вертикальном направлении и препятствует его вращению относительно вертикальной оси. Узлы с верхним и нижним зажимами связаны между собой тестируемым образцом, и их нормальное функционирование не зависит от расстояния между ними по вертикали. Верхний зажим установлен с возможностью вертикального перемещения между двумя положениями равновесия в узле верхнего зажима. Верхний зажим находится в одном положении равновесия, пока испытываемый образец цел, и перемещается в другое положение равновесия при разрушении образца. Перемещение верхнего зажима из одного положения равновесия в другое используется для переключения состояния индикатора разрушения образца волоконного световода. Технический результат - расширение диапазона изменения длин испытываемых образцов. 1 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Устройство для испытаний образцов волоконных световодов на механическую усталость, содержащее вертикальное основание, узел с верхним зажимом для фиксации верхнего конца испытываемого образца, расположенный по вертикали под узлом верхнего зажима узел с нижним зажимом для фиксации нижнего конца образца, узел обеспечивает возможность вертикального перемещения нижнего зажима и препятствует его вращению относительно вертикальной оси, расположенный в узле верхнего зажима привод для управляемого вращения верхнего зажима относительно вертикальной оси, расположенный в узле верхнего зажима индикатор разрушения образца волоконного световода, отличающееся тем, что, с целью расширения диапазона изменения длин испытываемых образцов, верхний зажим установлен с возможностью перемещения между двумя положениями равновесия в узле верхнего зажима, соответствующими двум состояниям образца: «образец цел» и «образец разрушен», а индикатор разрушения образца волоконного световода выполнен с возможностью переключения его состояния при перемещении верхнего зажима из одного положения равновесия в другое.2. Устройство для испытаний образцов волоконных световодов на механическую усталость по п.1, отличающееся тем, что основание устройства выполнено в виде вертикальной трубы с люками для доступа к узлам устройства и закрепления тестируемых образцов в зажимах, причем узлы с верхним и нижним зажимами размещены внутри трубы-основания.