Разрывная машина и способ её работы Российский патент 2023 года по МПК G01N3/18 

Изобретение относится к разрывной машине и способу её работы. Разрывная машина представляет собой установку, которая разработана для проведения испытаний на растяжение образцов различной формы и материалов (металлов) при избыточном давлении до 40 МПа и температуре до 700°С. Предложенная разрывная машина способна обрабатывать и исследовать образцы материалов под избыточным давлением и повышеной температурой (металла давлением), то есть изобретение можно отнести к материаловедению и к измерительной технике.

Из уровня техники можно сделать вывод, что известные разрывные машины могут проводить подобные исследования при избыточном давлении, также существуют испытательные разрывные машины способные проводить исследования при повышенной температуре, но разрывных машин способных проводить исследования при одновременном сочетании избыточного давления и повышенной температуры нет.

Из патентного документа RU 2 304 274 С1, опубл. 10.08.2007 известна разрывная машина, содержащая станину, являющуюся упругим элементом нагружающего устройства, активный и пассивный захваты образца. Активный захват выполнен в виде шестигранной втулки с резьбой и шестигранной опоры, имеющей со стороны втулки буртик, образующий гнездо для втулки, а с противоположной стороны выпуклую сферическую поверхность, опирающуюся на ответную сферическую поверхность станины, причем по высоте опоры в радиальном направлении выполнен U-образный паз для размещения образца с резьбовыми головками, одна из которых имеет лыски, входящие в паз опоры и исключающие ее поворот относительно образца.

Данное техническое решение, как и большинство известных разрывных машин имеет ряд существенных недостатков, которые заключаются в высокой себестоимости и низкой производительности испытаний.

Наиболее близким аналогом является решение из патентного документ RU 2703828 С2, опубл. 22.10.2019, устройство известное своим способом испытания образцов на разрыв и сжатие при высоких гидростатических давлениях. В данном решении вспомогательную заготовку и образец на разрыв вводят в держатель, затем образец на разрыв вводят в отверстие в дне стакана, на дно стакана устанавливают образец на сжатие, пропуская сквозь его отверстие образец на разрыв, затем на верхний конец образца на разрыв навертывают упорную шайбу; подготовленную таким образом оснастку для испытаний размещают в контейнере так, что вспомогательная заготовка попадает в коническую часть матрицы, а стакан кромками опирается на верхний торец матрицы, после этого контейнер заполняют рабочей жидкостью и вводят уплотненный пуансон, затем начинают перемещение пуансона, обеспечивающее повышение давления рабочей жидкости в контейнере.

Существенным недостатком является сложность реализации известного способа испытания образцов на разрыв и сжатие при высоких гидростатических давлениях при его реализации и за счёт особенностей конструкции устройства. При этом данный способ направлен исключительно на получение диаграмм пластичности и сопротивления деформации различных металлических материалов, что подтверждается описанием.

Задачей предложенной группы изобретений является исключение недостатков известных устройств и способов в данной области технике.

Технический результат - возможность проведения испытаний при высоком давлении и температуре с постоянной скоростью деформирования, при проведении испытаний с медленным нагружением, при проведении испытаний при статическом нагружении, при проведении испытаний по заданной программе по нагрузке или перемещению (треугольное, синусоидальное, трапецеидальное нагружение и др.), при проведении испытаний при циклическом нагружении.

Пространство разрывной машины, которая выдерживает высокие значения давления и температуры представляет из себя колбу - далее автоклав.

Заявленная разрывная машина работает совместно с программным обеспечением (далее - ПО), что является актуальным и современным решением в данной области техники и что обеспечивает оперативность и высокую точность при проведении различных испытаний, а также позволяет сохранять все данные хода исследований в файле результата эксперимента.

При этом, существует необходимость в реализации разрывной машины, в которой реализуется совокупность воздействия на испытуемый образец, избыточного давления и повышенной температуры при проведении эксперимента на разрыв образцов различных форм и материалов. Что и реализует предложенная разрывная машина.

Технический результат группы изобретений достигается за счёт разрывной машины, характеризующейся тем, что в корпусе автоклава установлена полимерная манжета, которая выполнена с возможностью удерживать внутреннее избыточное давление, при этом выходящая из корпуса автоклава тяга крепится к, по меньшей мере, одному переходному элементу резьбовым соединением, переходный элемент собран в единое целое с датчиком силы, при этом переходный элемент образует подвижную конструкцию, входной вал силового блока присоединяется к нижнему переходному элементу резьбовым соединением, силовой блок приводится в движение серводвигателем, который оснащен многооборотным энкодером, при этом на раме установлена, по меньшей мере, одна цифровая линейка.

Разрывная машина оснащена четырьмя цифровыми линейками.

Герметизация тяги выполнена благодаря полимерной манжете.

Герметизация автоклава осуществляется за счёт металлического кольца с разноправленными углами уплотнения.

Серводвигатель управляется программным обеспечением и нагружает образец по оси.

Способ работы разрывной машины в котором образцы и/или материалы крепятся внутри автоклавной части разрывной машины в держателях, усилие передаётся на образец и фиксируется датчиком силы, серводвигатель управляется программным обеспечением и нагружает образец по оси, фиксация реального перемещения/растяжения образца происходит за счёт, по меньшей мере, одной цифровой линейки закрепленной на раме установки.

Фиксация реального перемещения/растяжения образца происходит за счёт, четырёх цифровых линеек, закрепленных на раме установки.

Помимо цифровых линеек контроль за растяжением/перемещением образца осуществляет энкодер серводвигателя.

Воздействие растягивающего усилия на образец оказывается через подвижную металлическую тягу. Герметичность и подвижность тяги обеспечивается полимерной манжетой, которая выполнена с возможностью удерживать внутреннее избыточное давление без создания дополнительных сил сдерживающих тягу, выходящая из корпуса автоклава тяга крепится к, по меньшей мере, одному переходному элементу резьбовым соединением, переходный элемент собран в единое целое с датчиком силы, при этом переходный элемент образует подвижную конструкцию, до момента нагружения, входной вал силового блока присоединяется к нижнему переходному элементу резьбовым соединением, силовой блок приводится в движение серводвигателем, который оснащён многооборотным энкодером, при этом на раме установлена, по меньшей мере, одна цифровая линейка, при этом преимущественно установлено четыре цифровых линейки.

Энкодер является неотъемлемой частью серводвигателя с разрешающей способностью 16 777 216 импульсов на один оборот. Совокупность применения энкодера и силового блока позволяет регистрировать растяжение образца с шагом 0,000000025мм.

Разрывная машина оснащена не менее чем одной цифровой линейкой. Линейки необходимы для фиксации изменения длины образца от нагружения без набегающей погрешности деформации датчика растяжения. Дискретность линеек до 0.5 мкм., точность до ± 2 мкм. Датчик силы измеряет усилие за счет того, что незначительно сам деформируется. ПО разрывной машины компенсирует изменение линейного размера датчика силы, в следствии его растяжения в ходе эксперимента. Данная функция реализуется благодаря калибровке. При калибровке используются данные, получаемые от цифровых линеек. Цифровые линейки реагируют на перемещение тяги через пластину передачи перемещения.

Разрывная машина, в которой герметизация тяги выполнена благодаря полимерной манжете. Полимерная манжета сконструирована таким образом, что при избыточном давлении создает на тягу, разрывной машины, минимальные сдерживающие силы. ПО разрывные машины при калибровке учитывает данные незначительных сдерживающих сил, благодаря этому показания усилия, приложенные к образцу, являются максимально точными.

Разрывная машина, в которой герметизация испытательной полости осуществляется за счёт металлического кольца с разноправленными углами уплотнения.

Уплотнительное кольцо обеспечивает герметизацию испытательной полости при высоких значениях температуры и давлении. Кольцо имеет различные углы и канавку позволяющие кольцу деформироваться, после деформации углы кольца повторяют уплотнительные посадки крышки и корпуса автоклава, а канавка обращена в сторону избыточного давления что дополнительно усиливает герметизационные свойства уплотнительного элемента. Уплотнительный элемент является многоразовым (элементом (изделием, деталью).

Разрывная машина управляется программным обеспечением и нагружает образец по оси, контролирует давление, температуру и растяжение образца, а также режимы нагрузки. Температура в испытательной полости разрывной машины контролируется по четырем датчикам температуры. Три датчика расположены внутри автоклава на разных высотах относительно образца, четвертый датчик расположен снаружи автоклава и контролирует температуру хомутового электрического нагревателя. Достижение высоких температур свыше 500°С требует использования хомутового нагревательного элемента, выполненного из кармических пластин, через которые проведена нихромовая нить. Нихромовая нить раскаляясь разогревает корпус автоклава. Также ПО позволяет проводить эксперименты с различными способами нагружения, сохранять и обрабатывать полученные данные.

Способ работы разрывной машины, согласно которому, образцы и/или материалы крепятся внутри автоклавной части разрывной машины в держателях, усилие предаётся на образец и фиксируется датчиком силы, серводвигатель управляется программным обеспечением и нагружает образец по оси, фиксация реального перемещения/растяжения образца происходит за счёт, энкодера серводвигателя и четырех цифровых высокоточных линеек закрепленных на раме установки.

Фиксация реального перемещения/растяжения образца происходит за счёт, четырёх цифровых линеек, закрепленных на раме установки.

Помимо цифровых линеек контроль за растяжением/перемещением образца осуществляется за счет энкодера серводвигателя.

На фигуре 1 изображена одна из модификаций разрывной машины. Ниже приведены позиции, которыми отмечены основные детали и комплектующие разрывной машины.

1 - Крышка автоклава;

2 - Держатель образцов;

3 - Образец;

4 - Корпус автоклава;

5 - Пластина передачи перемещения;

6 - Высокоточная цифровая линейка;

7 - Переходный элемент;

8 - Силовой блок;

9 - Серводвигатель;

10 - Хомутовый электрический нагреватель;

11. - Уплотнительное кольцо;

12 - Тяга;

13 - Полимерная манжета;

14. - Датчик силы.

Образцы различных форм и материалов крепятся внутри реакторной / автоклавной части разрывной машины в специальных держателях, держатели имеют различные исполнения, обусловленное видом\формой образца. Для увеличения свободы движения и уменьшения сил терния при нагружения образцов, держатели изготовлены по типу шарнирного соединения. Внутри автоклавной/реакторной части держатели образцов крепятся в верхней плите резьбовым методом, резьбовой метод крепления позволяет предварительно выбирать зазоры в системе нагружения и необходим для компенсации различных длин образцов. Собранные в единое целое образец 3, держатели образцов 2 и тяга 12 образуют подвижную конструкцию что дополнительно дает свободу необходимую для образования общей оси. Верхняя плита в свою очередь упирается на корпус автоклава через три массивных опоры вала. К нижнему держателю образцов тяга 12 разрывной машины крепится резьбовым методом.

В нижней части корпуса автоклава устанавливается полимерная манжета 13, которая удерживает внутреннее избыточное давление без оказания дополнительных сил трения на тягу 12. Вышедшая из корпуса автоклава тяга 12 крепится к переходному элементу 7 по резьбе. Переходный элемент 7 представляет из себя шарнирное соединение. Собранные в единое целое с датчиком силы 14 переходные элементы 7 образуют подвижную конструкцию что дополнительно дает свободу необходимую для образования общей оси тяги 12, датчика силы 14 и силового блока 8. Такая подвеска предотвращает возникновение дополнительных сил, препятствующих нагружению образца 3 (например - силы трения). Входной вал силового блока 8 присоединяется к нижнему переходному элементу резьбовым методом.

Силовой блок 8 разрывной машины приводится в движение серводвигателем 9. Серводвигатель 9 силового блока 8 оснащен многооборотным энкодер высокого разрешения класса позволяющий контролировать линейную величину растяжения образца в высоком/огромном разрешении превышающим измерение образцов любым средством внесенным в реестр Средств Измерений (далее - реестр СИ).

Разрывная машина создает и контролирует растяжение образца и усилие, предаваемое на него.

Усилие, предаваемое на образец 3, фиксирует датчик силы 14. Управляемый из среды специализированного ПО серводвигатель 9, нагружает образец 3 по оси. Программное обеспечение позволяет проводить различные виды нагружения образца (циклические, статические и другие).

Хомутовый нагревательный элемент 10 выполнен из кармических пластин, через которые проведена нихромовая нить.

Фиксация реального перемещения/растяжения образца 3 происходит благодаря высокоточным цифровым линейкам 6, закрепленных на раме установки и контактирующих с нижней частью тяги 12 через специальную пластину передачи перемещения 5. Высокоточные линейки 6 могут быть установлены вверх или вниз принимающим штоком, что увеличивает ходы и дает возможность выставить линейки 6 в необходимом диапазоне. Установка оснащена четырьмя высокоточными цифровыми линейками 6 для возможности усреднения данных и оптимизации погрешности/перекоса. Однако помимо линеек контроль за растяжением/перемещением образца осуществляет энкодер серводвигателя 9, который обеспечивает точность, превышающую максимально возможную измеряемую средствами измерения внесенными в реестр СИ.

Благодаря ПО система калибруется и выбирает накопленные линейные и силовые отклонения. Линейные отклонения выбираются перед началом эксперимента в автоматическом режиме. При избыточном давлении без задания нагрузки на образец в любом случае воздействует нагрузка, которая установка учитывает и при необходимости компенсирует.

Герметизация разрывной машины осуществлена в двух местах, двумя способами:

1. Герметизация тяги 12 разрывной машины осуществляется благодаря полимерной манжете 13, которая не оказывает дополнительных сдерживающих сил на тягу 12 разрывной машины.

2. Герметизация реактора/автоклава осуществляется благодаря специальному металлическому кольцу (уплотнительному кольцу) 11 с разноправленными углами уплотнения.

Разрывная машина оснащена:

• автоматизированным рабочим местом (далее - АРМ) для функционирования системы управления при испытаниях, индикации и контроля параметров, предварительной сигнализации, сбора и обработки всех результатов измерений, автоматической остановки по уставкам;

• системой автоматической остановки разрывной машины при отклонении от заданных параметров рабочей среды (давление, температура, параметров нагружения испытательной машины), а также при потере рабочей среды;

• системой ограничения перемещения тяги разрывной машины при окончании испытаний.

Разрывная машина разработана для проведения испытаний на растяжение образцов различной формы и материалов при избыточном давлении до 40 МПа и температуре до 700°С, и выполняет разрывное действие и измерительное. Помимо заявленных термобарических условий, разрывная машина способна автоматически проводить различные исследования за счёт установленного ПО. Соответственно подробное описание подтверждает, что предложенная разрывная машина реализуется, как одно единое современное устройство и работает на современном ПО, которое разработано специально для неё самой и реализации её корректного способа работы.

Изобретение относится к испытательной технике. Разрывная машина содержит автоклав и силовой блок, внутри автоклава расположены держатели образцов и/или материалов, причем к нижнему держателю образцов и/или материалов крепится тяга резьбовым методом, причем в корпусе автоклава установлена полимерная манжета, которая выполнена с возможностью удерживать внутреннее избыточное давление без оказания дополнительных сил трения на тягу, при этом выходящая из корпуса автоклава вышеупомянутая тяга крепится к по меньшей мере одному переходному элементу резьбовым соединением. Переходный элемент собран в единое целое с датчиком силы, при этом переходный элемент образует подвижную конструкцию. Входной вал силового блока присоединяется к нижнему переходному элементу резьбовым соединением. Силовой блок приводится в движение серводвигателем, который оснащен многооборотным энкодером. На раме разрывной машины установлена по меньшей мере одна цифровая линейка для фиксации реального перемещения/растяжения образца и/или материала, которая контактирует с нижней частью тяги через пластину передачи перемещения. Сущность: образцы и/или материалы крепятся внутри автоклавной части разрывной машины в держателях, усилие передаётся на образец и/или материал и фиксируется датчиком силы, серводвигатель управляется программным обеспечением и нагружает образец по оси, фиксация реального перемещения/растяжения образца происходит за счёт по меньшей мере одной цифровой линейки закрепленной на раме установки и контактирующей с нижней частью тяги через пластину передачи перемещения. Технический результат: возможность проведения испытаний с постоянной скоростью деформирования при проведении испытаний с медленным нагружением, при проведении испытаний при статическом нагружении, при проведении испытаний по заданной программе по нагрузке или перемещению, при проведении испытаний при циклическом нагружении. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Разрывная машина, отличающаяся тем, что содержит автоклав, внутри автоклава расположены держатели образцов и/или материалов, причем к нижнему держателю образцов и/или материалов крепится тяга резьбовым методом, причем в корпусе автоклава установлена полимерная манжета, которая выполнена с возможностью удерживать внутреннее избыточное давление без оказания дополнительных сил трения на тягу, при этом выходящая из корпуса автоклава вышеупомянутая тяга крепится к по меньшей мере одному переходному элементу резьбовым соединением, переходный элемент собран в единое целое с датчиком силы, при этом переходный элемент образует подвижную конструкцию, входной вал силового блока присоединяется к нижнему переходному элементу резьбовым соединением, силовой блок приводится в движение серводвигателем, который оснащен многооборотным энкодером, при этом на раме установки установлена по меньшей мере одна цифровая линейка для фиксации реального перемещения/растяжения образца и/или материала, которая контактирует с нижней частью тяги через пластину передачи перемещения.

2. Разрывная машина по п. 1, отличающаяся тем, что она оснащена четырьмя цифровыми линейками, установленными на раме установки и контактирующими с нижней частью тяги через пластину передачи перемещения.

3. Разрывная машина по п. 1, отличающаяся тем, что герметизация тяги выполнена благодаря полимерной манжете.

4. Разрывная машина по п. 1, отличающаяся тем, что герметизация автоклава осуществляется за счёт металлического кольца с разноправленными углами уплотнения.

5. Разрывная машина по п. 1, отличающаяся тем, что серводвигатель управляется программным обеспечением и нагружает образец по оси.

6. Способ работы разрывной машины по п. 1, отличающийся тем, что образцы и/или материалы крепятся внутри автоклавной части разрывной машины в держателях, усилие передаётся на образец и/или материал и фиксируется датчиком силы, серводвигатель управляется программным обеспечением и нагружает образец по оси, фиксация реального перемещения/растяжения образца происходит за счёт по меньшей мере одной цифровой линейки закрепленной на раме установки и контактирующей с нижней частью тяги через пластину передачи перемещения.

7. Способ работы разрывной машины по п. 6, отличающийся тем, что фиксация реального перемещения/растяжения образца происходит за счёт четырёх цифровых линеек, закрепленных на раме установки и контактирующих с нижней частью тяги через пластину передачи перемещения.

8. Способ работы разрывной машины по п. 6, отличающийся тем, что помимо цифровых линеек контроль за растяжением/перемещением образца осуществляет энкодер серводвигателя.