Способ прочностных испытаний пластических материалов и зонд для его осуществления Советский патент 1993 года по МПК G01N3/30 

Этот способ и реализующая его установка приняты за прототип как содержащие наибольшее число совпадающих существенных признаков. Недостатком способа является то, что при его применении измерение производится измерительным преобразователем, размещенным на ограниченном участке поверхности наконечника.

Наиболее близким к предлагаемому является измерительный зонд в установке для определения предела прочности на сдвиг пластических материалов при динамическом нагружении, содержащий установленные в отверстиях, выполненных в его поликоническом наконечнике, пьезоэлектрические преобразователи, обеспечивающие измерение величины касательной составляющей силы сопротивления материала движению зонда (преобразователи силы сдвига) и нормального давления 2.

К недостаткам известных способа и устройства 2, кроме уже указанных, следует отнести также то, что величины, измеряемые на ограниченном участке поверхности при динамическом нагружении, отражают значения этой величины, возникающие при иагруженииг в локальном сечении материала, расположенном вдоль траектории движения в материале чувствительного участка поверхности и необязательно.совпадающие со значениями изменяемой величины, возникающими в сечениях материала, расположенных на уровне чувствительного участка концентрично нагружающей поверхности зонда. Кроме того, конструктивные особенности установки преобразователей в наконечнике зонда не позволяют располагать их вдоль всей образующей поверхности наконечника, вблизи вершины и основания наконечника, а особенности установки преобразователя в разных частях наконечника будут неизбежно отражаться на коэффициенте преобразования и диапазоне линейности его значений, даже в случае обеспечения возможности установки в разных опытах одного и того же .преобразователя. Это снижает возможности известного устройства при его применении для определения распределений измеряемой величины в объеме исследуемого материала в определенный момент времени.

Цель изобретения - повышение точности измерений в испытаниях.

В предлагаемом способе прочностных испытаний пластических материалов при динамическом нагружении, включающем внедрение зонда с измерительными преобразователями в исследуемый материал с заданной скоростью, измерение силовых

параметров воздействия материала на чувствительный участок поверхности заостренного наконечника зонда и установление по результатам измерений прочностных харак- теристик материала, во время внедрения в исследуемый материал обеспечивают механическую передачу силового воздействия на измерительный преобразователь с любого напередзаданного замкнутого осесимметричного чувствительного участка на поверхности наконечника, измерение производят одним преобразователем с разных участков в различных опытах, обеспечивая идентичность начальных условий встречи

5 зонда и исследуемого материала в повторных опытах, а прочностные характеристики материала устанавливают по значениям измеряемого силового параметра в исследуемом материале. Поставленная цель

0 достигается также тем, что в зонде для прочностных испытаний пластических материалов при динамическом нагружении, состоящем из корпуса с.заостренным наконечником и с измерительным преобразова5 телем усилий, воздействующих на чувствительный участок поверхности наконечника зонда со стороны исследуемого материала, и средства связи измерительного преобразователя с измерительной аппара0 турой, корпус выполнен составным, содержит силоизмерительный преобразователь в одной из частей, причем силоизмерительный преобразователь кинематически свя- зан со второй частью зонда, выполненной с

5 чувствительным участком в виде пояса на боковой поверхности наконечника и размещенной в объеме зонда с возможностью перемещения относительно него,

Зонд может быть выполнен с площадью

0 пояса на боковой поверхности наконечника, составляющей целую часть от всей пло.щади .боковой поверхности зонда, и при этом распределение давлений в объеме исследуемого материала будет адекватно рас5 пределению амплитуд электрических сигналов, регистрируемых измерительным преобразователем от различных поясов, выполненных с одинаковой площадью на боковой поверхности.

0 с целью обеспечения надежности использования в качестве чувствительного элемента измерительного преобразователя пьезокерамических дисков кинематическая связь в зонде выполнена в виде центрально5 го хвостовика, скрепленного со второй частью зонда..

На фиг. 1 показан в разрезе зонд в процессе внедрения в исследуемый пластический материал; на фиг. 2 - осциллограмма изменения давлений, регистрируемая в испытаниях; на фиг, 3 - зонд с конструктивными элементами, обеспечивающими надежность при использовании в силоизмерительном преобразователе пьезокерамических дисков в качестве чувствительного элемента.

Способ реализован в зонде для прочностных испытаний в составе измерительно-регистрирующей установки для динамического на ружения исследуемых материалов с комплексом регистрирующей аппаратуры.

| Зонд для прочностных испытаний пластических материалов при динамическом на ружении состоит из корпуса с заостренные наконечником 1, в котором размещен элемент 2 с осесимметричной боковой поверхностью А, являющейся частью поверхности наконечника (А + Б + В, фиг. 1). В корпусе размещен силоизмерительный преобразователь 3, кинематически связанный с элементом 2 зонда, а электрически - с использованием проводной связи 4 с измерите/ьной аппаратурой 5..

Зонд работает следующим образом. При внедрении наконечника 1 зонда с за- flaf ной скоростью в исследуемый пластически и материал 6, возникающие в материале давления p(t), характеризующие прочностные характеристики материалов при динамическом нагружении, воздействуют на поЕерхность А элемента 2 зонда. Результи- сила посредством кинематической связи в виде силопередающего элемента 7 передается перемещающимся относительно kopnyca 1 элементом 2 на силоизмерительный преобразователь 3, который генерирует электрический сигнал U(t), пропорциональный этой силе, и, следовательно, при известности площади поверхности А- тропорциональный давлениям вматери- интегрированным в заданном сечении

:риала б по конической поверхности А в

але мат

зад момент времени, считая от момента касания исследуемого материала 6 наконечником 1 зонда. Непрерывно регистрируемые в процессе внедрения зонда в материал значения действующих в материале давлений передаются по проводной свя;;и 4 на измерительную аппаратуру 5, где фиксируются в виде осциллограммы напряжение-время (фиг. 2), которая пересчитывается в зависимость давление-время. Пересчет производится с использованием выражения

Ip(tr) Ku 1 x U(ti), (1) где Ки - коэффициент преобразования из- мер тельного преобразователя давления В/Па по напряжению;

b(ti)-динамические давления в исследуемом материале в расчетный момент времени ti, осредненные по сечению материала в плоскости поверхности .

Выполнение элементов 2 в зонде с одинаковой площадью поверхности А для всего

набора элементов, перекрывающего всю поверхность наконечника, позволяет определять распределение давлений непосредственно по значениям регистрируемых электрических сигналов на осциллограммах, что приводит к облегчению анализа результатов.

Вариант практического исполнения зонда,.родержащего в качестве чувствительного элемента силоизмерите льного преобразователя пьезокерамический диск, показан на фиг. 3. Корпус зонда 1 выполнен из трех основных осесимметричных деталей, две из которых скрепленьгмежду собой винтами 8 и представляют собой сменный

наконечник, сопрягаемый с третью частью корпуса по поверхности 9. В объеме сменного наконечника размещен с .возможностью перемещения относительно него осесимметричный элемент 2, выполненный

с чувствительным участком в виде пояса на боковой поверхности наконечника и с направляющим элементом 10. В третьей части корпуса выполнено отверстие 11, в торцовой ; части которого размещен пьезоэлектрйческий силоизмерительный преобразователь 3. К преобразователю прикреплены провода связи 4, выведенные через отверстие 12 в корпусе к измерительной аппаратуре 5.

Кинематическая связь силоизмеритель ного преобразователя с элементом 2 выполнена в виде направляющего элемента 10, . размещенного в отверстии 11, и обеспечивает, многоразовость и однообразие условий передачи усилий на измерительный

преобразователь от сменных наконечников с различным расположением элемента 2 в объеме наконечника. Отверстие 11 для направляющего элемента 10 выполненного СОО.СНО в двух скрепленных винтами 8 частях

корпуса 1 (сменного наконечника). Направляющий элемент может быть скрепленным с элементом 2 зонда или образованным на элементе 2 (выполненным заодно с элементом 2), как на фиг. 3. Выполнение направляющето элемента заодно с элементом 2 упрощает процесс изготовления и сборки зонда.

При проведении испытаний был ислоль- зован зонд с диаметром корпуса 30 мм и отверстием 11 диаметром б мм. Площадь чувствительного участка на конической головной части с углом 60° при вершине составляла от 0,2 до 0,33 площади поверхности головной части зонда.

Чувствительный элемент выполнялся из пьезокерамики ЦТС-19. Исследуемый пластический материал с плотностью 1,47Т/м разгонялся на вертикальном кдпре. В приведенных условиях и с масштабной емкостью порядка 60000 Пф на.экране, осциллографа типа С8-13 регистрировались осциллограммы изменения давлений с амплитудой сигнала U до 2,0 В (см. репродукцию осциллограммы на фиг. 2). Контейнер с исследуемым материалом принудительно тормозился с помощью упругих демиферов после того как зонд внедрялся в материал на глубину 2гч, превышающую высоту головной части зонда (см. фиг. 1). В данной измерительной схеме постоянная времени разряда входной цепи превышает 31 мс. Поскольку время внедрения на высоту головной части (см. фиг. 2) составляет для условий измерений 3...4 мс, а время, через которое нагрузка на зонд принудительно снимается, составляет величину около 10 мс, то при любой форме импульса давления суммарная погрешность измерений давления в испытаниях не превышает 10%.

Вариант исполнения зонда составным, с набором наконечников и чувствительным элементом измерительного преобразователя в виде пьезокерамическо- го диска обеспечил, кроме того, возможность использования в серии опытов одного и того же измерительного преобразователя, что приводит к снижению погрешности измерения давлений и особенно при. измерении распределения давлений. При этом выполнение кинематической связи в виде направляющего элемента 10 обеспечивает однообразие и симметричность при смещении элемента 2 относительно скрепленных

винтами 8 частей корпуса 1 зонда, а также многоразовость и однообразие воздей вия на преобразователь при использовании зонда в серии опытов. В совокупности это обеспечивает надежность и точность при

использовании для измерений давления пьезокерамичёских дисков.

Выполнение площади чувствительного участка на боковой поверхности наконечника одинаковой для всего набора наконечников в серии опытов исключает необходимость пересчета результатов измерения с использованием выражения 1 и обеспечивает условия для анализа распределения давлений непосредственно по амплитуде электрического сигнала регистрируемого на осциллограмме, а это, в свою очередь, приводит к снижению трудоемкости анализа и повышает наглядность

результатов.

Формула изобретения

Фи 3.2

Фиг 3