Устройство для испытания образцов на усталость

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИСПЫТАНИЯ ОБРАЗЦОВ НА УСТАЛОСТЬ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт прикладной физики Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Венгринович Валерий Львович Бусько Валерий Николаевич Винтов Дмитрий Александрович(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт прикладной физики Национальной академии наук Беларуси(57) Устройство для испытания образцов на усталость, содержащее станину с подставкой,электродвигатель со стальным диском, силовозбудитель, счетчик числа оборотов, индикатор амплитуды колебаний, отличающееся тем, что оно содержит фиксатор и кронштейн,подставка содержит два специальных паза, причем в первом пазу подставки закрепляется один конец образца, во втором устанавливается фиксатор, служащий для упора кронштейна, в котором закрепляется второй конец образца, заданный уровень изгибных напряжений регулируется с помощью калиброванных по толщине пластин, установленных во втором пазу подставки под фиксатором, а значения напряжений в образце рассчитываются по величине перемещения плеча кронштейна.(56) 1. Школьник Л.М. Методика усталостных испытаний. - М. Металлургия, 1978. - 300 с. 2. Тимошук Л.Т. Механические испытания металлов. - М. Металлургия, 1971. - 224 с. 3. Патент РБ на полезную модель 5248, 2009. Фиг. 1 Полезная модель относится к области механических испытаний и неразрушающего контроля (НК) металлических ферромагнитных материалов и может быть использована при исследовании и диагностике усталости конструкций, находящихся под нагрузкой. Известны различные устройства, прессы, установки, предназначенные для испытания образцов на усталость 1,2, основанные на использовании, в основном, кинематической 92002013.06.30 схемы консольного или чистого изгиба при механическом или гадравлическом способах нагружения образца. Например, при консольном изгибе нагружающая система состоит из динамометра, жестко соединенного со станиной и испытуемым образцом, а перемещение нагружаемой системы создается при помощи шатуна или кривошипа. Недостатками данных устройств является наличие жесткой привязки основного узла, состоящего из шатуна,с испытуемым образцом, вследствие этого неудобно регулировать уровень нагрузки из-за необходимости иметь шатуны различной длины или кривошипные механизмы различной конструкции, что ограничивает возможность регулирования уровня изгибных напряжений, снижает производительность испытаний и точность при исследовании усталости. Кроме того, известные установки являются громоздкими, труднодоступными и дорогими. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемой полезной модели является устройство 3, содержащее основание, узел защемления, электродвигатель со стальным диском, индикатор амплитуды колебаний, счетчик числа оборотов диска, в котором для создания в образце изгибных напряжений используется силовозбудитель. Основным недостатком данного устройства является невозможность обеспечить испытания образцов, уже находящихся в напряженном состоянии благодаря действию постоянной нагрузки при одновременном воздействии на образец переменных циклических напряжений,моделирующих большинство находящихся в эксплуатации деталей и элементов конструкций. В предлагаемой полезной модели решается задача расширения функциональных возможностей устройства для исследования образцов на усталость. Сущность предлагаемого малогабаритного устройства для испытания образцов на усталость состоит в том, что оно состоит из станины с подставкой, на которых специальным образом относительно друг друга размещены узел защемления образца в виде четырехточечной системы создания изгибных напряжений в образце, состоящей из подставки, в которой закреплен один конец образца, фиксатора, служащего для упора кронштейна с закрепленным в нем вторым концом образца, электродвигателя с закрепленным на его валу стальным диском, силовозбудителя, создающего изгибные напряжения в образце не напрямую, а через кронштейн, счетчика числа оборотов диска для счета циклов нагружения, индикатора амплитуды колебаний. В подставке, установленной на станине, изготовлены два паза, один - для крепления одного конца образца, второй - для установки фиксатора, предназначенного для создания в образце исходных изгибных напряжений,благодаря чему устройство позволяет создавать в образце изгибные напряжения, включающие в себя исходные напряжения, полученные с помощью предварительного изгиба образца, а также создаваемые дополнительно. В качестве силовозбудителя для создания в образце знакопеременных изгибных напряжений используется подшипник качения, центральная ось которого расположена перпендикулярно к плоскости поверхности образца. За счет вращения стального диска расположенный на нем подшипник в результате попеременного контакта с поверхностью кронштейна, перемещаясь на некую величину, создает в образце изгибные напряжения, которые можно регулировать с помощью установленных под фиксатор набора пластин с известными толщинами. Отличием предлагаемого устройства от прототипа является то, что в нем для создания напряжений в образце силовозбудитель воздействует не непосредственно на образец, а на промежуточный элемент, которым является кронштейн, исходное напряжение в образце поддерживается фиксатором, а регулирование уровня этого напряжения осуществляется с помощью пластин, установленных во втором пазу подставки устройства под фиксатором. Установленный на стальном диске подшипник качения выполняет роль силовозбудителя-толкателя для создания в образце посредством кронштейна постоянного изгибающего момента и одновременно обеспечивает постоянство амплитуды циклических знакопеременных напряжений. Таким образом, за счет применения новых элементов - фиксатора с возможностью его перемещения и кронштейна устройство позволяет достигнуть решения важной технической задачи - значительно расширить функциональные возможности устройства для испытания образца на усталость. 2 92002013.06.30 На фиг. 1, 2 представлена схема предлагаемого устройства. Устройство для испытания образцов на усталость содержит стальную станину 1, на которой с помощью болтов закреплена подставка 2, в первом пазу которой устанавливается и закрепляется с помощью болтов один конец испытуемого образца 3 в виде плоской пластины, во втором -фиксатор 4, выполняющий роль ограничивающего упора образца 3 после изгиба, для обеспечения возможности перемещения фиксатора 4 в вертикальном направлении на различное расстояние устройство снабжено набором калиброванных по толщине пластин 5, установленных во втором пазу подставки 2 под фиксатором 4. Для крепления второго конца испытуемого образца 3 и создания в нем изгибающего момента устройство содержит кронштейн 6. Изгибные напряжения в образце 3 создаются с помощью силовозбудителя в виде подшипника качения 7, установленного на стальном диске 8 и закрепленного на валу электродвигателя 9. Количество циклов нагружения измеряют с помощью счетчика числа оборотов диска 10, с помощью индикатора амплитуды колебаний 11 определяется отклонение кронштейна 6 от нейтрального положения и рассчитываются напряжения. Устройство работает следующим образом. Испытуемый образец 3 плоской формы, размеры которых регламентируются государственными стандартами при усталостных испытаниях, с помощью подставки 2 и Г-образного кронштейна 6, изготовленного для повышения прочности из закаленной стали с ребром жесткости, устанавливают в вертикальном относительно станины 1 положении (фиг. 1), в первом выфрезерованном пазу подставки 2 устройства с помощью болтов закрепляют один конец образца 3, второй конец образца 3 устанавливают в кронштейн 6 и закрепляют также с помощью болтов. Во втором пазу подставки 2 устанавливают фиксатор 4, необходимый для создания в образце 3 начальных изгибных напряжений, моделирующих в нем исходное напряженное состояние. Замкнутый контур (цепь), состоящий из подставки 2, образца 3, фиксатора 4 с установленными под ним пластинами 5 и кронштейна 6, в итоге образует систему, аналогичную четырехточечной схеме нагружения образца 3 при циклической изгибной схеме, когда образец 3 находится под действием напряжений 0. С помощью вращения подшипника 7, установленного на стальном диске 8 и валу электродвигателя 9, путем надавливания на нижнюю поверхность кронштейна 6 в образце 3 создаются дополнительные циклические напряжения с амплитудой 1, после чего результирующее значение напряжений в образце 3 будет равно сумме напряжений 0 и 1. Величина прогиба(в мм) в центральной части образца 3, где образуется максимальная деформация, регулируется с помощью калиброванных по толщине стальных пластин 5, устанавливаемых во втором пазу подставки 2 под фиксатором 4, меняя число и толщину которых, можно создавать в образце 3 необходимые по величине упругие напряжения 0 в любой точке образца 3, которые рассчитываются с помощью известных формул сопромата. Практически прогибобразца 3 рассчитывается с учетом перемещения , на величину которого смещается кронштейн 6 после установки необходимого значения создаваемых в образце 3 напряжений и измеряемого индикатором амплитуды колебаний 11 часового типа (фиг. 2). Корректировку величины , пропорциональной амплитуде создаваемых в образце 3 напряжений, можно осуществлять также с помощью изменения диаметра подшипника 7, его места установки на стальном диске 8, а также положения электродвигателя 9 на станине 2. Следовательно, в результате создания в образце 3 циклических знакопеременных напряжений в области максимальных значений (в центре образца 3) с помощью предварительного и последующего изгиба при достижении определенного числа циклов нагружения, определяемого счетчиком числа оборотов диска 10, со временем в образце 3 будут изменяться физико-механические свойства, приводящие к усталостным явлениям, которые могут регистрироваться накладным преобразователем, установленным в любую точку образца. В качестве счетчика оборотов диска 10,установленного на вал электродвигателя 9, можно использовать любой механический или электронный счетчик, в частности основанный на применении геркона и установленного 3 92002013.06.30 на валу электродвигателя 9 постоянного магнита. Для снижения ударного воздействия механических вибраций от подшипника 7 на фиксатор 4 и кронштейн 6, на последний можно установить демпфирующую прокладку из износостойкого, прочного и упругого материала(например, жесткой резины). Предлагаемое устройство для испытания образцов на усталость позволяет расширить его функциональные возможности, отличается простотой конструкции и удобством его использования в сравнении с аналогичными установками, стендами и устройствами, является универсальным и малогабаритным. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 4