ДАТЧИК ДЛЯ ЗАМЕРА ПОПЕРЕЧНЫХ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ ПРИ РАСТЯЖЕНИИ ОБРАЗЦОВ ИЗ ТКАНЕПОДОБНЫХ МАТЕРИАЛОВ Российский патент 2024 года по МПК G01L5/00 G01B5/00 

Изобретение относится к машиностроению, к датчикам для замера поперечных перемещений при растяжении образцов из тканеподобных материалов. Этот датчик использовался, в частности, при растяжении образцов различных клеенчатых материалов рекламных щитов, различных сортов дерматина и т.п.

В описании используются ссылки на следующие работы.

1. В. Грэлльманн, С. Зайдлер. Испытания пластмасс. Пер. с англ. СПб.: ЦОП «Профессия», 2010, 720 с.

2. Машиностроение. Энциклопедия в сорока томах. Ред. Совет. Фролов К.В. предс. ред. совета. Раздел П. Материалы в машиностроении. Том II-1. Физико-механические свойства. Испытания металлических материалов. Редактор-составитель: Е.И. Мамаева. Отв. ред. Е.Т. Долбенко. М.: Машиностроение, 2010, 852 с.

3. Машиностроение. Энциклопедия в сорока томах. Ред. Совет. Фролов К.В. предс. ред. совета. Раздел IV. Конструирование машин. Том IV-1. Детали машин. Конструкционная прочность. Трение, износ, смазка. Редактор-составитель: Д.Н. Решетов. /Д.Н. Решетов, А.П. Гусенков, Ю.Н. Дроздов и др. М.: Машиностроение, 1995, 864 с. (См. стр. 372).

4. Решетов Д.Н. Детали машин. М.: Машиностроение, 1989, 496 с.

5. Машиностроение. Энциклопедический справочник. Редакционный совет. Предс. совета и главред. Е.А. Чудаков. Раздел второй. Материалы машиностроения. Том 3. Отв. ред. И.А. Одинг. М.: Государственное научно-техническое издательство машиностроительной литературы. 1947, 712 с.

В [5] (см. стр. 359, правая колонка) сказано следующее. Сопротивление ткани разрыву по основе и по утку определяют испытанием на растяжение образцов в виде полосок ткани шириной 50 мм... с расстоянием между зажимами 200 мм. В [5] (см. стр. 360, левая колонка) сказано следующее. Перед началом испытания образец предварительно растягивают грузом 0,3 кг для шелковых и тонких легких хлопчатобумажных тканей, 0,5 кг для тканей с сопротивлением разрыву образца до 200 кг и 1 или 2 кг для тканей, обладающих большим сопротивлением разрыву.

В [1] (см. стр. 134) говорится, что использование перемещения траверсы испытательной установки для расчетов модуля Е приводит к заниженным значениям из-за проскальзывания в зажимах и т.п.

Таким образом, один из путей замера продольных перемещений является замер перемещения траверсы испытательной машины (см. в [1] стр. 134).

Испытывалось более десятка образцов различных материалов.

У большинства материалов при растяжении образец становился уже и наблюдалось постоянное значение коэффициента Пуассона почти вплоть до разрушения образца. Попадались материалы, образцы которых становились шире при растяжении образца (т.е. коэффициент Пуассона был отрицательным), и характеризовались постоянным значением коэффициента Пуассона почти вплоть до разрушения образца. Образцы некоторых материалов становились уже, но при малых деформациях характеризовались одним значением коэффициента Пуассона, а при больших деформациях, характеризовались другим значением. Причем эта смена величины коэффициента Пуассона происходила «резко» (скачкообразно). Например, при осевой растягивающей деформации до 1,5% было 0,22, а при деформации больше 1,5% было 0,12. При этом коэффициент Пуассона определялся (вычислялся) как отношение приращений соответствующих деформаций:

где Δε_прод - приращение продольной деформации, Δε_попер - приращение поперечной деформации (при очередном приращении нагрузки, растягивающей образец). Если значение μ вычислять как абсолютное значение отношения поперечной деформации к продольной, то при ε_прод ≤1,5% значение μ было 0,22; а при ε_прод>1,5% значение μ плавно уменьшалось от 0,22, стремясь к 0,12. При этом получался следующий график диаграммы растяжения образца. Если по оси «X» «откладывать» осевую деформацию, а по оси «У» «откладывать» поперечную деформацию, то получалось, что диаграмма является непрерывной, но состоит как бы из двух отрезков прямых. Причем на участке 0<ε_прод<1,5% ход диаграммы (отрезка прямой) соответствует μ=0,22. А на участке ε_прод>1,5% (почти вплоть до разрушения) диаграмма также близка к отрезку прямой, причем этот отрезок прямой располагается под углом к оси «X», меньшим, чем начальный участок диаграммы при 0<ε_прод<1,5% (который характеризуется значением μ, равным 0,22). А при ε_прод>1,5% диаграмма соответствует μ=0,12.

//Надо заметить, что у таких материалов часто проявляются свои особенности при деформировании; в частности, играет роль фактор времени; при частичной разгрузке образца и последующей нагрузке на диаграммах наблюдались «петли» и т.д. Но эти вопросы в данном описании не рассматриваются.// В данном случае деформация ε вычислялась по соотношению

где L_o - начальная длина «мерного участка», L - текущая длина «мерного участка».

Известен тензометр (см. в книге [2] стр. 243, рис. 3.3.2 д). Этот тензометр (в рабочем состоянии) имеет две, взаимно перпендикулярные, плоскости симметрии, проходящие через центральную ось (в частности, ось симметрии) образца. Тензометр имеет две зоны контактного взаимодействия с образцом. Эти зоны расположены в одном сечении образца. Тензометр имеет две симметричные детали удлиненной формы, на которых (в средней зоне) расположены упорные части, предназначенные для взаимодействия с образцом. На концевых частях этих деталей удлиненной формы располагаются (симметрично с двух сторон) гибкие упругие элементы с наклеенными тензодатчиками. Эти гибкие упругие элементы служат для упругого поджатия элементов датчика к образцу, а тензодатчики служат для замера изменения расстояния между зонами замера.

Совпадающие признаки.

Контакт датчика (тензометра) с образцом осуществляется в двух, удаленных друг от друга, зонах в одном и том же поперечном сечении образца. В рабочем состоянии детали датчика упруго поджимаются к образцу. В конструкции используется гибкий упругий элемент.

Недостатки. Этот тензометр предназначен для использования при деформировании образцов из твердых материалов; он не предназначен для использования при растяжении образцов из тканеподобных материалов.

Известен тензометр (см. в книге [2] стр. 243, рис. 3.3.2 г). Этот тензометр принят в качестве прототипа. Этот тензометр состоит из двух рычагов, соединенных между собой плоской пружиной. Эта плоская пружина скреплена с этими рычагами. Эти рычаги могут поворачиваться относительно друг друга за счет изгиба плоской пружины. На каждом рычаге установлены упоры, которые (в рабочем положении) упираются снаружи в исследуемый образец. В конечной зоне более короткого рычага закреплен гибкий упругий элемент с наклеенными тензодатчиками. На другом, более длинном, рычаге установлен длинный винт. При вращении этого винта можно торец этого винта упереть в гибкий упругий элемент, изогнуть этот гибкий упругий элемент, тем самым создать силу, поджимающую упоры к образцу. Если образец расположен вертикально, то, чтобы не было «провисания» деталей тензометра, их можно подвесить на длинных, тонких легких гибких тросиках или установить на плавающие «платформы». В ходе растяжения образца можно при необходимости периодически корректировать длину этих тросиков или уровень жидкости при использовании плавающих «платформ». (Или можно сделать какой-то противовес.)

Совпадающие признаки.

Контакт датчика (тензометра) с образцом осуществляется в двух, удаленных друг от друга, зонах в одном и том же поперечном сечении образца.

В рабочем состоянии детали датчика упруго поджимаются к образцу. В конструкции используется гибкий упругий элемент.

Недостатки. Этот тензометр предназначен для использования при деформировании образцов из твердых материалов; он не предназначен для использования при растяжении образцов из тканеподобных материалов.

Задача изобретения состоит в том, чтобы обеспечить возможность замера поперечных перемещений при растяжении образцов из тканеподобных материалов, при этом, чтобы не требовался источник электроэнергии.

Эта задача решается следующим. В зонах контакта, детали, контактирующие с образцом, прижимаются к образцу с двух сторон, при этом рабочие поверхности этих деталей в зоне их непосредственного контакта с образцом имеют закругления, при этом рабочие поверхности этих деталей развернуты относительно друг друга на заметный угол, например, в диапазоне от 30° до 90°. Этот датчик крепится к образцу из тканеподобного материала с помощью зажимов типа «крокодил». Рабочие поверхности губок этих зажимов развернуты относительно друг друга на заметный угол, например, в диапазоне от 30° до 90°. Для обеспечения возможности смещения деталей датчика относительно друг друга используются ролики.

А для непосредственного замера перемещений используют стрелочный индикатор, закрепленный на ролике (валике). При этом для создания заметных сил трения между роликами и ответными деталями используются детали из резиноподобного материала, между которыми устанавливают ось вращения, на которой укрепляют стрелочный индикатор.

Технический результат изобретения заключается в том, что обеспечивается возможность замера поперечных перемещений при растяжении образцов из тканеподобных материалов, при этом не требуется источник электроэнергии.

Таким образом, детали, контактирующие с образцом, прижимаются к образцу с двух сторон, при этом рабочие поверхности этих деталей в зоне их непосредственного контакта с образцом имеют закругления, при этом рабочие поверхности этих деталей развернуты относительно друг друга на заметный угол, например, в диапазоне от 30° до 90°. При этом используются детали из резиноподобного материала (для создания заметных сил трения), между которыми устанавливают ось вращения, на которой укрепляют стрелочный индикатор. По углу поворота стрелочного индикатора определяют величину изменения длины «мерного участка» образца (т.е. для замеров не используются тензодатчики и не нужен источник электроэнергии).

Указанное выше, обуславливает причинно-следственную связь между задачей изобретения и техническим результатом изобретения.

Схематично устройство датчика показано на фиг. 1. Для крепления деталей датчика к образцу используются зажимы типа «крокодил». Губки этих зажимов упруго поджимаются друг к другу пружиной вращения. Эти пружины (их части) не показаны на фиг. Губки этих зажимов (в отличие от обычных зажимов типа «крокодил») не имеют зубьев. Губки этих зажимов развернуты относительно друг друга на заметный угол (30°…90°). Удобно направлять, например, нижние губки, вдоль длины образца, а другие (верхние) губки поперек образца. Такое расположение губок показано на фиг. Рабочая поверхность губок в зоне взаимодействия с образцом имеет закругление, радиус этого закругления, например, 1 мм.

Кроме этого, зажимы справа и слева имеют свои особенности.

На фиг. 1 обозначены следующие детали.

1.Поперечное сечение образца.

2. Нижняя губка левого зажима типа «крокодил», направленная вдоль длины образца.

3. Верхняя губка левого зажима типа «крокодил» (может быть направлена, например, поперек образца).

4. Нижняя часть левого зажима типа «крокодил».

5. Верхняя часть левого зажима типа «крокодил».

6. Болт, с помощью которого (и гайки 7) левый зажим неподвижно крепится к основанию 8.

7. Гайка. 8.0 снование.

9. Нижняя губка правого зажима типа «крокодил», направленная вдоль длины образца.

10. Верхняя губка правого зажима типа «крокодил» (может быть, например, направлена поперек образца).

11. Нижняя часть правого зажима типа «крокодил».

12. Верхняя часть правого зажима типа «крокодил».

13. Болт.

14. Гайка.

15. Головка болта 13.

16. Роликовая опора.

17. Роликовая опора.

18. Роликовая опора (на которой установлен стрелочный индикатор 20).

19. Роликовая опора.

20. Стрелочный индикатор.

21. Толстая пластина, предназначенная для взаимодействия с роликами 16 и 17.

Деталь 11 сделана удлиненной формы (точнее, это нижняя часть правого зажима типа «крокодил»).

Болт 13 служит для поджатая соответствующих деталей. Чтобы не было перекосов в системе, гайка 14 должна иметь большую опорную поверхность; головка 15 болта 13 также должна иметь большую опорную поверхность. При растяжении образца 1 деталь 11 будет смещаться относительно основания 8. Поэтому в детали 11 надо сделать фигурное (удлиненной формы) отверстие под болт 13.

На практике при растяжении образцов обычно образец становился уже. Но на практике при растяжении образцов попадались материалы, образцы которых становились шире при растяжении образца. Поэтому отверстие удлиненной формы в детали 11 должно располагаться так, чтобы учитывать, что образец 1 может становиться уже или шире.

Чтобы между роликовыми опорами 16, 17, 18, 19и ответными деталями увеличить силы трения, следует использовать прокладки из жесткой резины. Прокладки из жесткой резины на фиг.1 не показаны. Для удобства эти прокладки из жесткой резины следует приклеивать к ответным деталям.

Ролики 16, 17, 18, 19 следует устанавливать по нормали к длине датчика.

Ролик 18 сделан длинным, чтобы при вращении стрелочный индикатор 20 не зацеплялся за детали датчика.

Если валик (ролик) повернулся на угол ϕ, то валик «прокатился» по нижней поверхности на расстояние ΔL₁. При этом верхняя деталь «прокатится» по валику на то же самое расстояние ΔL₁. Значит, «торец» верхней детали сместиться относительно нижней детали (ее плоской поверхности; предполагается, что контактные поверхности, между которыми установлен ролик, параллельны друг другу) на расстояние

d=2×r - диаметр валика (угол ϕ измеряется в радианах).

При малых углах ϕ (считается, что в исходном состоянии стрелка расположена в горизонтальном положении) удобно замерять вертикальное смещение ΔУ конца стрелки, а угол ϕ оценивать по соотношению (здесь L_* -длина стрелки, измеряемая от оси вращения валика)

Для безопасности при возможном «разлете» деталей датчика при разрушении образца следует ставить прозрачный экран. Чтобы этот экран защищал исследователя, при этом этот экран должен позволять проводить замеры показаний стрелочного индикатора.

Сейчас часто к устройствам для замеров предъявляют требования о возможности автоматической записи (регистрации) полученных результатов. Но для повышения надежности получаемых результатов (и для повышения уверенности, что получаются правильные результаты) следует отдельные замеры проводить при использовании разных устройств. Получение близких результатов повышает нашу уверенность, что замеры проводятся правильно.

Обычно образец 1 располагают и растягивают в вертикальном направлении. Детали на фиг. 1 изображены не в масштабе; в частности, образец 1 показан на фиг. 1 толстым. На болтах и гайках не показана резьба.

Устанавливая детали датчика, следует руководствоваться фиг. 1. //Предполагается, что уже изготовлены детали нужных размеров; образец 1 из тканеподобного материала вставлен в зажимы испытательной установки и натянут путем приложения усилия предварительного натяжения.//

Датчик можно так устанавливать на образец 1. Берется левый «крокодил». В отверстие в детали 4 (см. фиг. 1) вставляется болт 6. Затем этот «крокодил» устанавливают на образец 1, соблюдая нужное направление (датчик располагается горизонтально).

Берется жесткая на изгиб с соответствующими отверстиями деталь 8. Болт 6 вставляется в соответствующее отверстие в детали 8, при этом накручивают гайку 7 (не до упора). Берут правый «крокодил» и устанавливают его на образец напротив левого «крокодила», учитывая при этом, что «общее» направление датчика является горизонтальным.

Затем берется деталь 21. Болт 13 вставляют в соответствующие отверстия в деталях 21, 11,8; навинчивают гайку 14 не до упора. Затем приступают к установке роликов 16, 17, 18, 19. В рабочем состоянии датчика эти ролики располагают вдоль вертикали. Несколько откручивают гайку 14 и вставляют ролики 16 и 17. Эти ролики «зажимают», прикладывая усилие к деталям 11 и 21. Затем, при необходимости, дополнительно откручивают гайку 14 и вставляют ролики 18 и 19. «Зажимают» эти ролики, прикладывая усилия (навстречу друг к другу) к деталям 21 и 8. Затягивают гайку 14. Следует напомнить, что между роликами и ответными деталями устанавливают прокладки из твердой резины, удобно эти прокладки приклеивать к ответным деталям (эти прокладки на фиг. 1. не показаны). Затем гайку 14 затягивают требуемым моментом. При необходимости ролики (в том числе, их направление) поправляют. Затем окончательно (до упора) затягивают гайку 7. //Следует заметить, что конструктивное выполнение стержня болта 6 должно обеспечивать защиту от «проворота» при вращении гайки 7.//

Следует еще раз отметить, что, чтобы уменьшить возможные «перекосы» в системе, головка 15 болта 13 должна быть большого диаметра (т.е. должна иметь большую площадь опорной поверхности); площадь опорной поверхности гайки 14 также должна быть большой. (Здесь сказано о площади опорной поверхности, более точно следует говорить о внешнем контуре опорной поверхности.)

Удобно (как это показано на фиг.1) ролик 16 располагать над роликом 18; ролик 17 располагать над роликом 19. В принципе, ролики 16 и 17 могут иметь один диаметр, а ролики 18 и 19 другой диаметр, но удобней, когда все ролики имеют одинаковый диаметр.

Усилие поджатия роликов к ответным деталям устанавливается на основе опыта испытания подобных материалов, за основу можно взять усилие 10Н (1 кгс).

Длина роликов около 20 мм. Для обеспечения удобства при установке роликов, ролики должны «выступать» (по длине) за ответные детали (т.е. длина роликов должна быть больше, чем «ширина» ответных деталей).

Усилие поджатия друг к другу губок зажимов типа «крокодил» выбирается на основе опыта испытаний подобных материалов (например, около 10Н (1 кгс)).

Детали, с помощью которых датчик крепится к образцу, сделаны гладкими, чтобы материал образца не цеплялся за эти детали. В зоне непосредственного крепления датчика к образцу, детали сделаны закругленными (например, радиус этого закругления около 1 мм).

Следует дополнительно отметить, что сами зажимные губки должны быть гладкими. Торцы у этих губок должны быть закруглены (они должны быть гладкими, без заусенцев), чтобы детали датчика не цеплялись за материал образца.

Губки зажимов типа «крокодил» можно назвать выступами. Рабочую поверхность выступов (в частности, в зоне соприкосновения этих выступов с поверхностью образца) следует делать гладкой, закругленной. Радиус этого закругления равен, например, 1 мм (возможно, что для разных материалов этот радиус будет другим). Удобно, чтобы каждый выступ (между которыми «зажимается» образец) в зоне крепления датчика к образцу имел бы не прямолинейную границу, а криволинейную границу (например, в виде части окружности большого диаметра).

Датчик «поджимается» (в каждой зоне) к образцу усилием около 10 Н (≈1 кгс). Ролики 16, 17, 18, 19 «поджимаются» усилием около 5 Н (≈0,5 кгс). Точнее, требуемые усилия поджатия обеспечиваются на основе опыта проведения подобных работ. За основу (для определения момента затяжки М_зат гайки 14) можно взять приближенное соотношение, приведенное в литературе (см., например, [3] (стр. 372); [4] (стр. 106)):

где d - внешний диаметр резьбы болта, Р_зат - усилие затяжки болта.

Изобретение относится к машиностроению, в частности к датчикам для замера поперечных перемещений при растяжении образцов из тканеподобных материалов. Для крепления датчика к образцу датчик имеет два зажима типа «крокодил», губки которых у каждого зажима располагаются относительно друг друга под заметным углом от 30° до 90°. Причем один зажим неподвижно скрепляется с длинной, жесткой на изгиб деталью, другой зажим имеет длинное, жесткое на изгиб основание. В рабочем состоянии датчика зажим с длинным основанием может перемещаться относительно первого зажима, который неподвижно скреплен с длинной, жесткой на изгиб деталью. При этом подвижная часть датчика перемещается относительно неподвижной части датчика с помощью роликовых опор, на одной из которых установлен стрелочный индикатор, позволяющий определить угол поворота этой роликовой опоры при растяжении образца. Для увеличения сил трения между роликовыми опорами и ответными деталями используются плоские резиновые детали, приклеенные к ответным деталям. При этом части губок зажимов типа «крокодил», взаимодействующие с образцом, гладкие и имеют скругленную поверхность. Технический результат - обеспечение возможности замера поперечных перемещений при растяжении образцов из тканеподобных материалов, при этом не требуется источник электроэнергии. 1 ил.

Датчик для замера поперечных перемещений при растяжении образцов из тканеподобных материалов, имеющий упоры, предназначенные для взаимодействия с поверхностью исследуемого образца, причем эти упоры упруго поджимаются к поверхности образца, при этом упоры расположены по обе стороны образца в одном сечении образца, при этом растяжение образца вызывает смещение относительно друг друга соответствующих упоров, отличающийся тем, что для крепления датчика к образцу датчик имеет два зажима типа «крокодил», губки которых у каждого зажима располагаются относительно друг друга под заметным углом от 30° до 90°, причем один зажим неподвижно скрепляется с длинной, жесткой на изгиб деталью, другой зажим имеет длинное, жесткое на изгиб основание, причем в рабочем состоянии датчика зажим с длинным основанием может перемещаться относительно первого зажима, который неподвижно скреплен с длинной, жесткой на изгиб деталью, при этом подвижная часть датчика перемещается относительно неподвижной части датчика с помощью роликовых опор, на одной из которых установлен стрелочный индикатор, позволяющий определить угол поворота этой опоры при растяжении образца, а для увеличения сил трения между роликовыми опорами и ответными деталями на ответные детали наклеены пластины, изготовленные из твердой резины, при этом части губок зажимов типа «крокодил», взаимодействующие с образцом, имеют гладкую скругленную поверхность.