Испытательное устройство дугообразного образца Российский патент 2021 года по МПК G01N3/08 

Изобретение относится к испытательной технике и может быть использовано для определения прочности материалов на дугообразных образцах, в частности, к испытаниям на растяжение и разрыв вырезанных фрагментов тонкостенных труб, а также вырезанных из обода автомобильного колеса дугообразных образцов с целью получения диаграммы деформирования их материала при растяжении.

Во многих областях промышленности и техники необходимы знания упругопластических свойств материала конструкций цилиндрических, дугообразных форм, из которых вырезка стандартных образцов на растяжение затруднительна или невозможна. Для определения упругопластических свойств материалов таких конструкций обычно используются устройства, обеспечивающие одноосное растяжение образцов по круговой (криволинейной) направляющей.

Известно устройство, позволяющее создавать одноосное растяжение при испытаниях, вырезанных из оболочек дугообразных образцов (патент RU 2402009 с приоритетом от 02.09.2009г.). Для этого круговые дугообразные образцы устанавливаются на составную круговую направляющую, состоящую из двух фрагментов. Фрагменты круговой направляющей обеспечивают возможность относительного поворота вокруг общей оси, создающего в образце напряженно-деформированное состояние, практически идентичное одноосному растяжению. Данное устройство обеспечивает достижение качественных результатов при малых радиусов кривизны образцов. При больших радиусах испытываемого образца оно будет иметь очень большой вынос от разрывной машины, конструкция не подразумевает универсальности и предназначено для испытаний дугообразного образца только одного радиуса. Также к недостаткам устройства можно отнести необходимость перерасчета прикладываемой нагрузки за счет применения рычагов, имеющих плечо силы, не соответствующее среднему радиусу образца.

Известно устройство для испытания кольцевых образцов на растяжение (патент SU 1089470 А с приоритетом от 19.01.1983г.). Устройство содержит две соосные тяги, концы которых предназначены для взаимодействия с захватами испытательной машины, два полудиска шарнирно связанных с вторыми концами тяг, и рычаги, отличающееся тем, что с целью повышения точности испытаний путем учета сил трения между полудисками и образцом, рычаги установлены на обоих торцах полудисков параллельно плоскости их разъема, одни концы рычагов жестко связаны с полудисками, другие концы рычагов, расположенных на торцах полудисков, лежавших в одной плоскости, шарнирно связаны между собой, а устройство снабжено датчиками деформации рычагов.

Недостатком изобретения является необходимость установки датчиков деформации и их тарировки с целью определения влияния сил трения на показатели прочности, а также отсутствие поддерживающих опор под кольцевым образцом, что может вызвать разрыв образца в месте размыкания полудисков. Дополнительно можно отметить необходимость изготовления кольцевого образца сложной формы для испытаний на данном устройстве и отсутствие фиксации кольцевого образца на поверхности полудисков, что может привести к смещению оси рабочей поверхности образца от оси испытаний устройства.

Известно устройство для испытания криволинейных образцов при растяжении (патент SU 382952 A1 с приоритетом от 28.04.1971), содержащее шаблон с опорной поверхностью с радиусом кривизны, равным радиусу кривизны образца, и захваты, шарнирно соединенные с тягами, связанными с переходниками. С целью повышения точности измерения сил, оно снабжено шарнирно закрепленными на концах шаблона и переходниках звеньями, образующими с тягами угол. Звенья и тяги снабжены упругими элементами.

Недостатком изобретения является применение фторопластовой пластинки, снижающей силу трения между дугообразным образцом и шаблоном, но не в полной мере исключающей ее влияние (в отличие от предлагаемого устройства, где влияние силы трения нивелируется движущимися по окружности в противоположные стороны зубьями (уступами) щек). Также данное устройство отличается применением тяг сложной формы, требующих настройки для обеспечения необходимого угла приложения нагрузки к дугообразному образцу.

Наиболее близким техническим решением (прототипом) является устройство для испытания на растяжение дугообразных образцов из токопроводящего материала при повышенной температуре (патент RU 2566393 с приоритетом от 01.09.2014 г.). Изобретение относится к механическим испытаниям, а конкретно к испытаниям токопроводящих материалов с целью получения диаграммы деформирования при одноосном растяжении и импульсном нагреве в вакууме или инертной среде. Устройство выполнено в виде составной круговой направляющей, образованной двумя, имеющими возможность поворота относительно общей оси, фрагментами. Их опорные поверхности совпадают по форме с вогнутой поверхностью образца и соосными шарнирными хвостовиками, соединенными с нагружающим устройством. Опорная поверхность обоих фрагментов круговой направляющей в местах контакта с образцом выполнена из токонепроводящего и теплоизолирующего материала, механизмы для крепления образца выполнены в виде токоподводов, при этом, по крайней мере, один из них электрически изолирован от фрагментов устройства. В состав устройства включены датчики усилия, деформации, температуры образца, источник электрического тока и коммутирующее устройство, а также герметичная охватывающая рабочая камера, оснащенная вводами тока силовой электрической цепи нагрева образца и электрически изолированным разъемом для подключения датчиков усилия, деформации и температуры образца.

Недостатком изобретения является применение на опорных поверхностях, не проводящих ток, и теплоизолирующих материалов, которые более хрупки по отношению к металлу, из которого выполнены опорные поверхности щек и дугообразных прижимов в предлагаемом изобретении (конструкции). Так, как и в вышеуказанном патенте RU 2402009, конструкция не подразумевает универсальности и предназначено для испытаний дугообразного образца только одного радиуса. К недостаткам можно отнести необходимость пересчета прикладываемой нагрузки за счет применения тяг, имеющих плечо силы не соответствующее среднему радиусу образца, и установленных не на средней оси (середине) образца. Также недостатком конструкции является то, что прижим образца производится с помощью болта, который имеет малую площадь фиксации образца и не обеспечивает равномерного прижатия вследствие отсутствия радиуса кривизны у ножки болта, прижимающей образец к опорной поверхности.

Технической задачей настоящего изобретения является создание такого устройства, которое позволяло бы использовать сменные щеки и дугообразные прижимы для повышения универсальности применения (испытания дугообразных образцов различных радиуса кривизны), сочетало бы в себе надежность и простоту закрепления образцов, повышения точности измерения за счет регулирования места положения растягивающего усилия (при этом ось приложения нагрузки совпадает с серединой дугообразного образца), нивелирования влияния силы трения образца об опорную поверхность щек за счет их разнонаправленного движения и обеспечения защиты от провисания образца, Также предусмотрена возможность увеличения плеча силы для маломощных разрывных машин, применение системы противовесов позволяет исключить влияние момента инерции на результаты измерения (система противовесов позволяет выставить устройство в строго горизонтальное положение).

Технический результат достигается тем, что в испытательном устройстве дугообразного образца, содержащем два фрагмента направляющей с подшипником, механизмы крепления дугообразного образца, захваты, соединенные с тягой нагружающего устройства, дополнительно ввели поджимную втулку, установленную на вилке, регулировочную гайку, установленную на резьбовой части вилки, в захватах выполнены продольные горизонтальные пазы с установленными в них держателями, при этом на держателях установлены щеки для растяжения дугообразного образца, съемный прижим, в поджимной втулке выполнен прямоугольный паз, на опорных поверхностях щек и прижимов выполнены рифления, тяги имеют зигзагообразную форму и закреплены на каретках через ось и гайку с образованием между гайкой и тягой зазора, при этом на наконечнике тяги выполнена резьба, на захвате фрагмента направляющей дополнительно установлен ограничитель углового раскрытия, на ограничителе углового раскрытия установлены противовесы, выполненные с возможностью перемещения по резьбовым шпилькам, устанавленным в резьбовые отверстия.

Поставленная задача решается с использованием испытательного устройства дугообразного образца описанном ниже.

Другие преимущества и отличительные признаки будут более очевидны из нижеследующего описания изобретения со ссылками на прилагаемые чертежи.

На фиг. 1 показана общая конструкция испытательного устройства дугообразного образца;

на фиг. 2 показана конструкция испытательного устройства дугообразного образца в изометрии (3D модель);

на фиг. 3 показано смыкание зубьев щек, (дугообразный образец не показан);

на фиг. 4 показана схема закрепления дугообразного образца;

на фиг. 5 показан вариант закрепления оси тяг для увеличения плеча силы для маломощных разрывных машин;

на фиг. 6 показано рифление на поверхностях дугообразного прижима и щеки, улучшающее фиксацию дугообразного образца. Также показана форма уступа (зуба) на щеке, обеспечивающая защиту от провисания дугообразного образца и нивелирование силы трения образца о поверхность щеки.

На всех фигурах идентичные элементы обозначены одинаковыми цифровыми позициями.

Конструкция испытательного устройства дугообразного образца состоит из двух фрагментов направляющих (1 и 2), имеющих продольные, соединенные монолитно с ними, захватами (А и Б). В захватах А и Б выполнены продольные горизонтальные пазы. Фрагменты направляющей с захватами А и Б соединены между собой винтом (3), обеспечивающим закрепление (удержание) подшипника (4), который, в свою очередь, обеспечивает легкость вращения одного фрагмента направляющей относительно оси другой. В пазах направляющих А и Б установлены держатели (5), фиксация которых по месту обеспечивается двумя винтами (6). На держателях (5) установлены щеки (7) для разрыва дугообразного образца (8). Щеки (7) являются сменными (могут иметь разный диаметр кривизны для испытаний дугообразных образцов различных диаметров) и фиксируются на держателе (5) посредством четырех винтов (6).

Закрепление дугообразного образца (8) осуществляется посредством его прижатия к щеке (7) съемным (переустанавливаемым в зависимости от радиуса кривизны дугообразного образца (8)) прижимом (9). Усилие прижатия регулируется воздействием поджимной втулки (10), установленной на вилке (11), регулировка идет через положение регулировочной гайки (12), установленной на резьбовой части вилки (11). Закрепление и съем (демонтаж) вилки (11) со сменной щеки (7) (при переустановке щеки другого радиуса кривизны) производится посредством винта (13) и гайки (14), винт (13) свободно вращается в отверстии щеки (7). Прямоугольный паз, выполненный в поджимной втулке (10), позволяет поджимной втулке (10) заходить на поверхность щеки (7) и обеспечивать защиту от проворота самой поджимной втулки (10) вокруг оси вилки (11). Также захождение паза на поверхность щеки позволяет избежать люфта (изгиба, перемещения по поверхности щеки) прижатого дугообразного образца. Опорные поверхности щек (7) и дугообразных прижимов (9) имеют рифления, обеспечивающие улучшенную фиксацию дугообразного образца (8). Фиксатор (26) предотвращает проворот (смещение) вилки (11) относительно оси винта (13).

Подача усилия разрыва происходит через зигзагообразные тяги (15), закрепленные на каретках (16). Фиксация положения каретки осуществляется винтом (17). Крепление тяги к каретке идет с помощью оси (18) и гайки (19). Между гайкой (19) и тягой (15) имеется зазор, обеспечивающий свободное вращение тяги вокруг оси (18). Тяга имеет резьбовой наконечник В, обеспечивающий закрепление в нагружающем устройстве (разрывной машине).

Перемещение каретки (16) обеспечивает возможность точного позиционирования точки приложения усилия разрыва на средней оси дугообразного образца, перемещение же влево (смотри фиг.5) позволяет увеличить плечо приложения нагрузки и тем самым уменьшить усилие, подаваемое на тяги, что позволяет использовать маломощные нагружающие устройства.

Для обеспечения смыкания пазов на щеках (7) и их плотного примыкания друг к другу используется ограничитель углового раскрытия (20). Ограничитель углового раскрытия жестко зафиксирован на фрагменте направляющей (2) захвата с помощью винтов (21), прижатие к ограничителю захвата (1) осуществляется с помощью фиксатора (22) и гайки (23). Неплотное прижатие шляпки фиксатора (22) и гайки (23) к поверхности ограничителя углового раскрытия позволяют фиксатору свободно скользить по пазу Г. Ограничитель поворота одновременно выполняет и функцию противовеса.

Для уравновешивания конструкции с целью смещения центра тяжести нагружающего устройства, например разрывной машины (в случае необходимости) на ось тяг (18), что обеспечивает горизонтальное расположение конструкции (как показано на фиг.1 и фиг.5), предусмотрено применение противовесов (24), перемещающихся по резьбовым шпилькам (25), устанавливаемых в резьбовые отверстия на ограничителе поворота (20) и на шарнире (2).

В зависимости от положения центра тяжести количество и положение противовесов (24) может регулироваться (могут устанавливаться либо с одной, либо с другой стороны, либо не применяться вовсе).

Принцип работы испытательного устройства дугообразного образца представлен ниже.

Устанавливаются сменные щеки (7) нужного радиуса (R_ВН) и выставляются на расстоянии R_ВН от оси шарниров (ось болта (3)). Дугообразный образец (8) закрепляется на щеках (7) с помощью сменного дугообразного прижима (9) соответствующего радиуса (R_НАР). Оси тяг (18) выставляются на среднее сечение образца (R_СР), в случае «слабосильности» нагружающего устройства (разрывной машины), оси тяг передвигаются, чтобы увеличить плечо силы и выставляются на расстоянии от образца (R_ТЯГИ). Затем зигзагообразные тяги (15) зажимаются в нагружающем устройстве (разрывной машине) и происходит приложение нагрузки и последующий разрыв образца. Для придания конструкции горизонтального положения устанавливаются (при необходимости) противовесы (24), которые уменьшают момент инерции конструкции (т.к. сначала усилие разрывной машины тратится на приведение конструкции в горизонтальное положение).

Предлагаемое испытательное устройство дугообразного образца является простым в изготовлении, сборке и настройке, точность (за счет установки оси тяг строго посередине образца) и универсальность которого повысилась (за счет применения сменных щек и дугообразных прижимов), с улучшенной фиксацией и закреплением образца, с возможностью регулировки плеча прикладываемой нагрузки разрывной машины.

Технический результат, обеспечиваемый использованием испытательного устройства дугообразного образца, выражается в следующем.

1. В повышении точности измерения, т.к. ось тяг проходит строго по оси образца, нет необходимости вести пересчет (в отличие от других прототипов).

2. В повышении универсальности за счет применения щек и прижимов любых диаметров.

3. В улучшении степени прижатия образца за счет применения дугообразного прижима (в патенте 2566393, который наиболее близок к нашей конструкции, площадь прижатия невелика).

4. Обеспечивается возможность использования в слабосильных разрывных машинах за счет увеличения плеча силы с помощью перемещения оси тяг.

Изобретение относится к испытательной технике и может быть использовано для определения прочности материалов на дугообразных образцах, в частности для испытаний на растяжение и разрыв вырезанных фрагментов тонкостенных труб, а также вырезанных из обода автомобильного колеса дугообразных образцов с целью получения диаграммы деформирования их материала при растяжении. Заявлено испытательное устройство дугообразного образца, содержащее два фрагмента направляющей с подшипником, механизмы крепления дугообразного образца, захваты, соединенные с тягой нагружающего устройства. Дополнительно ввели поджимную втулку, установленную на вилке, регулировочную гайку, установленную на резьбовой части вилки. В захватах выполнены продольные горизонтальные пазы с установленными в них держателями, при этом на держателях установлены щеки для растяжения дугообразного образца, съемный прижим. В поджимной втулке выполнен прямоугольный паз, а на опорных поверхностях щек и прижимов выполнены рифления. Тяги имеют зигзагообразную форму и закреплены на каретках через ось и гайку с образованием между гайкой и тягой зазора. При этом на наконечнике тяги выполнена резьба, на захвате фрагмента направляющей дополнительно установлен ограничитель углового раскрытия, а на ограничителе углового раскрытия установлены противовесы, выполненные с возможностью перемещения по резьбовым шпилькам, установленным в резьбовые отверстия. Технический результат - повышение универсальности применения (испытания дугообразных образцов различного радиуса кривизны), повышение точности измерений. 6 ил.

Испытательное устройство дугообразного образца, содержащее два фрагмента направляющей с подшипником, механизмы крепления дугообразного образца, захваты, соединенные с тягой нагружающего устройства, отличающееся тем, что дополнительно содержит поджимную втулку, установленную на вилке, регулировочную гайку, установленную на резьбовой части вилки, в захватах выполнены продольные горизонтальные пазы с установленными в них держателями, при этом на держателях установлены щеки для растяжения дугообразного образца, съемный прижим, в поджимной втулке выполнен прямоугольный паз, на опорных поверхностях щек и прижимов выполнены рифления, тяги имеют зигзагообразную форму и закреплены на каретках через ось и гайку с образованием между гайкой и тягой зазора, при этом на наконечнике тяги выполнена резьба, на захвате фрагмента направляющей дополнительно установлен ограничитель углового раскрытия, на ограничителе углового раскрытия установлены противовесы, выполненные с возможностью перемещения по резьбовым шпилькам, установленным в резьбовые отверстия.