УСТАНОВКА ДЛЯ ИСПЫТАНИЯ ОБРАЗЦОВ НА УСТАЛОСТЬ ПРИ КРУГОВОМ ИЗГИБЕ Российский патент 2023 года по МПК G01N3/32 

Изобретение относится к испытательной технике, а именно - к испытательным установкам и предназначено для испытаний образцов на усталость (циклическую прочность) при круговом изгибе и может быть применено в учебной, заводской и исследовательской лаборатории.

Наиболее распространенными испытаниями образцов на усталость являются испытания в условиях симметричного цикла нагружения, при этом в качестве силового фактора обычно используется чистый изгиб вращающегося образца.

Известны патенты №№145586, 160927, 2682583, 2624595, 186689, 2193767, 2390768, 2727780 на испытательные стенды для определения циклической прочности образцов, которые описывают тот или иной способ приложения нагрузки, варианты конструкции, закрепления образцов.

Методы испытаний образцов материалов и деталей машин наиболее полно изложены в монографии Л.М. Школьника. При усталостных испытаниях обеспечивают различные виды нагружения образца, затем изучают его свойства, например, положение и размеры микротрещин. Количество циклов нагружения определяет его ресурс работы. Важно понять механизм развития микротрещин для различных материалов. Однако известные установки для испытаний материалов на усталость не позволяют наблюдать развитие микротрещин в процессе испытаний без демонтажа образца. Их отличительной особенностью является наличие сложных кинематических цепей, что приводит к снижению долговечности установок (Школьник Л.М. Скорость роста трещин и живучесть металла. - М.: Металлургия, 1973. - 216 с.).

Известен способ и стенд для исследования электромагнитного излучения деформируемого до разрушения твердого тела в форме стержня, заключающийся в установке стержня на стенде, использовании емкостного датчика, одна из обкладок которого выполнена в виде пластины, установленной на основании стенда, и соединена с системой регистрации, а другая - заземлена, деформировании упомянутого стержня путем приложения к верхнему его концу внешней нагрузки с помощью нагрузочного устройства, включающего подвижную опору с гнездом для размещения верхнего конца деформируемого стержня и установленную на основании стенда неподвижную опору с гнездом для размещения нижнего конца этого стержня, преобразовании с помощью указанного емкостного датчика возникающего при этом сигнала ЭМИ деформируемого стержня и регистрации его системой регистрации. При этом в качестве второй обкладки емкостного датчика используют другую пластину, причем пластины установлены на основании стенда через изолирующие прокладки, при этом деформируемый стержень располагают между обкладками емкостного датчика, после чего к верхнему концу деформируемого стержня, установленному в гнезде, выполненном с торца подвижной опоры, служащей рычагом рычажной системы нагрузочного устройства, циклически прикладывают изгибающую внешнюю нагрузку в противоположных направлениях с помощью этого рычага, который перемещают в вертикальной плоскости, проходящей через осевые линии указанного рычага и гнезда неподвижной опоры рычажной системы нагрузочного устройства (патент РФ 2204128 МПК G01N 27/60, G01N 3/20, дата публикации 10.05.2003).

Отличием является то, что в этом патенте фиксация образования трещины основана на явлениях электростатики.

Недостатком этого способа является и то, что он основан на нагружении исследуемого стержня растягивающей нагрузкой. Это исключает возможность использования изгибающих нагрузок в устройствах, реализующих этот способ, в то время, как исследования ЭМИ при изгибающих деформациях представляют теоретический и практический интерес, т.к. в технике многие детали различных устройств работают на изгиб.

Недостатком этого стенда является его назначение для растяжения стержней и невозможность выполнять исследования при изгибающих деформациях.

В качестве прототипа использована схема установки для испытания образцов при круговом изгибе, содержащая захваты с вращающимися цанговыми зажимами, установленными шарнирно на стойках, к захватам подвешивается груз на тягах через шарнирные соединения, испытываемый образец вращается электродвигателем через гибкий вал, оснащенный счетчиком оборотов, а также датчик разрушения образца, расположенный под одним из захватов (Феодосьев В.И. Сопротивление материалов. - 8-е изд., стереотип. - М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1979 г.)

Недостатком данной схемы является то, что датчик разрушения образца представляет собой контакт выключателя, который отключает электродвигатель при увеличении прогиба вызванного разрушением образца от циклических нагрузок, и не позволяет определить момент начала образования трещины, при котором увеличение прогиба минимальное.

Технической проблемой, на решение которой направлено данное изобретение, является повышение достоверности результатов испытаний при определении числа циклов нагружения до начала разрушения образца.

Технический результат, на достижение которого направлено предлагаемое решение, состоит в создании двух вариантов системы контроля целостности образца для установки, на которой испытывают образцы на усталость при круговом изгибе, каждая из которых направлена на повышение точности результатов испытаний.

Техническая проблема решается за счет того, что в первом варианте установки для испытания образцов на усталость при круговом изгибе, содержащей основание с закрепленными на нем испытуемыми образцами, захваты с цанговыми зажимами, установленными шарнирно на подвижную и неподвижную стойки, устройство для изгиба образцов, включающее тяги, карданный вал, муфты, электродвигатель, счетчик оборотов, выключатель, систему контроля образования трещины, при этом система контроля образования трещины включает в себя источник постоянного тока, высокоточные вольтметр или амперметр, устройство обработки и записи сигнала, реле, управляющее питанием электродвигателя, причем источник постоянного тока выполнен с возможностью подачи электрического тока известной силы и напряжения на образец.

Техническая проблема решается за счет того, что во втором варианте установки для испытания образцов на усталость при круговом изгибе, содержащей основание с закрепленными на нем испытуемыми образцами, захваты с цанговыми зажимами, установленными шарнирно на подвижную и неподвижную стойки, устройство для изгиба образцов, включающее тяги, карданный вал, муфты, электродвигатель, счетчик оборотов, выключатель, систему контроля образования трещины, при этом система контроля образования трещины включает в себя источник переменного тока высокой частоты, высокоточные вольтметры или амперметры, устройство обработки и записи сигнала, реле, управляющее питанием электродвигателя, причем источник переменного тока высокой частоты выполнен с возможностью подачи электрического тока на образец, формирующего вокруг образца переменное магнитное поле известной конфигурации, причем рядом с образцом размещен ряд катушек, выполненных с возможностью наведения электродвижущей силы посредством переменного магнитного поля, причем каждая катушка соединена с первичным преобразователем, служащим для усиления сигнала, и высокоточным вольтметром или амперметром.

Система контроля образования трещины, основанная на контроле электропроводимости образца включает в себя источник постоянного тока, высокоточное средство измерения - вольтметр или амперметр, или средство измерения обыкновенной точности и усилительный каскад, устройство обработки и записи сигнала, реле, управляющее питанием электродвигателя.

От источника постоянного тока на образец подаётся электрический ток известной силы и напряжения. В ходе испытаний на концах образца замеряется величина падения напряжения с известной периодичностью, обрабатывается и записывается устройством обработки и записи сигнала. В случае, если текущее значение падения напряжения превысило предыдущее на заданную контрольную величину, то устройство обработки и записи сигнала подаёт команду на реле, отключающее электродвигатель.

Система контроля образования трещины, основанная на контроле поля магнитной индукции вокруг образца, включает в себя источник переменного тока высокой частоты, блок высокоточных средств измерений - вольтметров или амперметров, или блок средств измерений обыкновенной точности с усилительными каскадами, устройство обработки и записи сигнала, реле, управляющее питанием электродвигателя.

От источника переменного тока высокой частоты на образец подаётся электрический ток, который формирует вокруг образца переменное магнитное поле известной конфигурации. Рядом с образцом размещается ряд катушек, в которых переменное магнитное поле будет наводить электродвижущую силу (ЭДС). Каждая катушка соединена с первичным преобразователем, служащим для усиления сигнала, и средством измерения - высокоточным вольтметром или амперметром.

В ходе испытаний при начале образования трещины изменится характер протекания тока в образце, что приведёт к изменению конфигурации поля магнитной индукции вокруг образца. Изменение конфигурации поля магнитной индукции приведёт к тому, что величины ЭДС на катушках изменятся и будут отличаться от устоявшихся значений. Если такое отличие в распределении показаний вольтметров для катушек превысило заданную контрольную величину, то устройство обработки и регистрации передаёт сигнал на реле, отключающее электродвигатель.

Более подробно изобретение поясняется с помощью чертежей.

На фиг. 1 представлен первый вариант установки для испытания образцов на усталость при круговом изгибе, основанный на контроле электропроводимости образца.

На фиг. 2 - второй вариант установки для испытания образцов на усталость при круговом изгибе, основанный на контроле поля магнитной индукции вокруг образца.

Установка для испытания образцов на усталость при круговом изгибе (фиг. 1) состоит из образца 1, ведущего захвата 2, ведомого захвата 3, которые установлены шарнирно на неподвижной стойке 4 и подвижной стойке 5, устройства для изгиба образца, включающее тяги 6, шарнирно соединенные с захватами 2, 3 с одной стороны и с грузом 7 с другой стороны, гибкого или телескопического карданного вала 8, муфты 9, электродвигателя 10, счетчика оборотов 11, выключателя 12, источник постоянного тока 13, вольтметр 14, устройство обработки сигнала 15, реле 16.

Установка для испытания образцов на усталость при круговом изгибе (фиг. 2) состоит из образца 1, ведущего захвата 2, ведомого захвата 3, которые установлены шарнирно на неподвижной стойке 4 и подвижной стойке 5, устройства для изгиба образца, включающее тяги 6, шарнирно соединенные с захватами 2, 3 с одной стороны и с грузом 7 с другой стороны, гибкого или телескопического карданного вала 8, муфты 9, электродвигателя 10, счетчика оборотов 11, выключателя 12, источник переменного тока 17, блок измерителей напряжения 18, вольтметра 14, устройство обработки сигнала 15, реле 16, катушек 19, блок первичных преобразователей 20.

Установки по первому и второму варианту работают следующим образом. Образец 1 закрепляется в цанговые зажимы ведущего захвата 2 и ведомого захвата 3. Цанговые зажимы установлены в подшипниках и могут вращаться с образцом 1 вокруг своей оси. Ведущий захват 2 имеет шарнирное соединение с неподвижной стойкой 4, что даёт ему возможность поворота относительно оси крепления. Ведомый захват 3 имеет шарнирное соединение с подвижной стойкой 5, что даёт возможность его поворота относительно оси крепления и линейного перемещения в направлении оси образца 1. Изгибающая нагрузка на образец, создаваемая силой тяжести груза 7, передаётся через тяги 6 захватам 2 и 3, шарнирно соединённым с тягами 6. Нагруженный образец 1 приводится во вращение электродвигателем 10 через муфту 9 и гибкий или телескопический карданный вал 8.

При разрушении образца захваты 2 и 3 существенно отклоняются от первоначально горизонтального положения, нажимают на шток выключателя 12, в результате чего подача питания на двигатель прекращается. В данном случае показания счётчика оборотов будут соответствовать количеству оборотов до полного разрушения образца.

Для возможности фиксации начала появления трещины предлагаются следующие решения.

Через образец (фиг. 1) от одного захвата к другому пропускается электрический ток, поступающий от источника 13. При этом между захватами 2 и 3 с известной периодичностью измеряется падение электрического напряжения при помощи высокоточного вольтметра 14. Сигналы с вольтметра записываются устройством обработки сигнала 15. Для достижения наименьших погрешностей при измерениях предполагается на захватах 2 и 3 разместить несколько элементов коммутации, стойки 4 и 5 электрически изолировать от основания.

При появлении и начале роста трещины электрическая проводимость образца уменьшится, что будет заметно по большему падению измеряемого напряжения на образце. Для этого сравнивается текущее показание вольтметра и предыдущее, и если различие между ними становится больше заданной контрольной величины, то от устройства обработки и записи сигналов 15 подаётся команда на реле 16, которое прекращает подачу питания на электродвигатель 10.

Через образец (фиг. 2) пропускается переменный электрический ток высокой частоты от источника 17, который формирует вокруг образца переменное магнитное поле известной конфигурации. Рядом с образцом размещается ряд катушек 19, в которых переменное магнитное поле будет наводить ЭДС. Каждая катушка 19 соединена с первичным преобразователем 20, служащим для усиления сигнала, и высокоточным вольтметром 14.

При начале образования трещины изменится характер протекания тока в образце, что приведёт к тому, что конфигурация магнитного поля вокруг образца в зоне образования трещины изменится. Изменение поля магнитной индукции приведёт к тому, что величины ЭДС на катушках изменятся и будут отличаться от тех значений, что соответствуют целому образцу. Если такое отличие в показаниях вольтметров превысит заданную контрольную величину, то от устройства обработки и записи сигналов 15 подаётся команда на реле 16, отключающее электродвигатель 10.

Таким образом, применение системы контроля электропроводимости образца по первому варианту и системы контроля магнитного поля вокруг образца по второму варианту позволит точно определить момент образования трещины в ходе испытаний образцов на усталость при круговом изгибе.

Изобретение относится к испытательной технике, а именно к испытательным установкам, и предназначено для испытаний образцов на усталость (циклическую прочность) при круговом изгибе и может быть применено в учебной, заводской и исследовательской лаборатории. Установка в первом варианте выполнения содержит основание с закрепленными на нем испытуемыми образцами, захваты с цанговыми зажимами, установленными шарнирно на подвижную и неподвижную стойки, устройство для изгиба образцов, включающее тяги, карданный вал, муфты, электродвигатель, счетчик оборотов, выключатель, систему контроля образования трещины. Система контроля образования трещины включает в себя источник постоянного тока, высокоточные вольтметр или амперметр, устройство обработки и записи сигнала, реле, управляющее питанием электродвигателя, причем источник постоянного тока выполнен с возможностью подачи электрического тока известной силы и напряжения на образец. Установка во втором варианте выполнения содержит основание с закрепленными на нем испытуемыми образцами, захваты с цанговыми зажимами, установленными шарнирно на подвижную и неподвижную стойки, устройство для изгиба образцов, включающее тяги, карданный вал, муфты, электродвигатель, счетчик оборотов, выключатель, систему контроля образования трещины. Система контроля образования трещины включает в себя источник переменного тока высокой частоты, высокоточные вольтметры или амперметры, устройство обработки и записи сигнала, реле, управляющее питанием электродвигателя, причем источник переменного тока высокой частоты выполнен с возможностью подачи электрического тока на образец, формирующего вокруг образца переменное магнитное поле известной конфигурации. Рядом с образцом размещен ряд катушек, выполненных с возможностью наведения электродвижущей силы посредством переменного магнитного поля, причем каждая катушка соединена с первичным преобразователем, служащим для усиления сигнала, и высокоточным вольтметром или амперметром. Технический результат: возможность точно определить момент образования трещины в ходе испытаний образцов на усталость при круговом изгибе. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.

1. Установка для испытания образцов на усталость при круговом изгибе, содержащая основание с закрепленными на нем испытуемыми образцами, захваты с цанговыми зажимами, установленными шарнирно на подвижную и неподвижную стойки, устройство для изгиба образцов, включающее тяги, карданный вал, муфты, электродвигатель, счетчик оборотов, выключатель, систему контроля образования трещины, отличающаяся тем, что система контроля образования трещины включает в себя источник постоянного тока, высокоточные вольтметр или амперметр, устройство обработки и записи сигнала, реле, управляющее питанием электродвигателя, причем источник постоянного тока выполнен с возможностью подачи электрического тока известной силы и напряжения на образец.

2. Установка для испытания образцов на усталость при круговом изгибе, содержащая основание с закрепленными на нем испытуемыми образцами, захваты с цанговыми зажимами, установленными шарнирно на подвижную и неподвижную стойки, устройство для изгиба образцов, включающее тяги, карданный вал, муфты, электродвигатель, счетчик оборотов, выключатель, систему контроля образования трещины, отличающаяся тем, что система контроля образования трещины включает в себя источник переменного тока высокой частоты, высокоточные вольтметры или амперметры, устройство обработки и записи сигнала, реле, управляющее питанием электродвигателя, причем источник переменного тока высокой частоты выполнен с возможностью подачи электрического тока на образец, формирующего вокруг образца переменное магнитное поле известной конфигурации, причем рядом с образцом размещен ряд катушек, выполненных с возможностью наведения электродвижущей силы посредством переменного магнитного поля, причем каждая катушка соединена с первичным преобразователем, служащим для усиления сигнала, и высокоточным вольтметром или амперметром.