Термокамера для испытательной машины с горизонтальной осью нагружения образца материала

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ ТЕРМОКАМЕРА ДЛЯ ИСПЫТАТЕЛЬНОЙ МАШИНЫ С ГОРИЗОНТАЛЬНОЙ ОСЬЮ НАГРУЖЕНИЯ ОБРАЗЦА МАТЕРИАЛА(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт механики металлополимерных систем имени В.А.Белого Национальной академии наук Беларуси(72) Автор Шилько Сергей Викторович(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт механики металлополимерных систем имени В.А.Белого Национальной академии наук Беларуси(57) 1. Термокамера для испытательной машины с горизонтальной осью нагружения образца материала, содержащая корпус с герметизирующей дверцей, электрическими нагревателями и термоэлектрическими преобразователями, отличающаяся тем, что содержит гранулированный теплоноситель, расположенный в нижней части корпуса и контактирующий с электрическими нагревателями, две опоры, выполненные с возможностью вращения на 180 и установленные на оси, совпадающей с горизонтальной осью нагружения образца материала и смещенной вверх относительно горизонтальной оси симметрии корпуса. 2. Термокамера по п. 1, отличающаяся тем, что гранулированный теплоноситель содержит адсорбент. 3. Термокамера по п. 2, отличающаяся тем, что в качестве адсорбента использован активированный уголь. 18349 1 2014.06.30 Изобретение относится к испытательной технике, в частности к приборам для создания требуемых температурных режимов механических испытаний образцов материалов на растяжение. Для поддержания необходимой температуры испытуемых образцов обычно применяются воздушные термостаты (термокамеры) с внешним обогревом путем конвекционной и лучевой теплопередачи. Так, известны термокамеры к машинам для механических испытаний 1, 2,3,4,5, ИР 6, НИИШП 7 и другие, содержащие корпус с дверцей, узел вентилятора, электрические нагреватели, ввод для подачи хладагента, термоэлектрические преобразователи и вводы датчика перемещения. Существенным ограничением названных технических решений является неравномерность температурного поля по высоте термокамеры, обусловленная естественной вертикальной конвекцией воздуха в рабочем пространстве. По этой причине температура меняется по рабочей длине образца, возрастая от нижнего захвата к верхнему. При испытании длинномерных образцов (тросов, проволоки, лент, нитей и т.д.), а также при больших предельных деформациях (термопластичные полимеры, эластомеры, сверхпластичные металлы) разность температур на концах образца и погрешность определения механических характеристик материала возрастают. Кроме того, имеет место риск теплового повреждения электронных компонентов силоизмерителя, располагаемого обычно на траверсе верхнего захвата. Принудительная конвекция воздуха при помощи вентиляторов не позволяет достичь высокой скорости и степени равномерности нагрева, но приводит к ускоренному окислению химически активных материалов. Так как вводы верхнего и нижнего захватов, хладагента и нагревателя в указанных выше термокамерах негерметичны, их рабочее пространство сообщается с внешней средой. Это приводит к необходимости повышения мощности нагревателей в связи с конвективными потерями тепла, а также утечке газообразных токсичных компонентов,выделяемых при нагреве и деструкции испытуемых материалов. Кроме того, разрушение образцов может привести к повреждению внутренних элементов термокамеры (термопреобразователей, нагревателей, смотровых окон). Недостатком известных аналогов является также обусловленная сложностью конструкции высокая стоимость, сопоставимая со стоимостью машины для механических испытаний. Часть отмеченных недостатков (потери тепла и утечка газообразных токсичных компонентов) в определенной степени устранена в наиболее близкой по технической сущности к заявляемому изобретению термокамере для испытательных машин 8, в которой имеется корпус с герметизирующей дверцей, узел вентилятора, электрические нагреватели, ввод для подачи хладагента и термоэлектрические преобразователи, а также основной воздуховод с герметичным клапаном и фланцем, дополнительный воздуховод, внешний кожух, образующий продуваемый воздушный зазор с корпусом, водяные радиаторы,установленные на узлах захватов и вентилятора, а вводы захватов, хладагента, термоэлектрических преобразователей, узла вентилятора и нагревателя выполнены герметичными и дополнительный воздуховод подсоединен к основному со стороны выходного отверстия герметичного клапана. Ввод верхнего захвата герметизируется сильфоном, нижнего захвата - резиновым чулком, вводы хладагента и нагревателей - термостойким уплотнителем, остальные элементы - резиновыми уплотнителями. Температура вводов захватов и узла вентилятора стабилизируется водяными радиаторами остальных вводов - за счет обдува воздухом в пространстве между корпусом и кожухом. Таким образом, горячий объем камеры изолируется от внешней среды, что приводит к снижению потребляемой мощности. Воздуховод для удаления продуктов деструкции (основной воздуховод) и внешний кожух с дополнительным воздуховодом препятствуют попаданию токсичных веществ во внешнюю среду даже при открытой дверце камеры за счет разности давлений во внешней среде и камере. 18349 1 2014.06.30 Однако прототип не обеспечивает равномерности и высокой скорости нагрева длинномерных образцов при больших деформациях, т.е. при значительной длине термокамеры. Недостатком прототипа является сложность конструкции и повышенная стоимость, что обусловлено дополнительными элементами в виде кожуха, узла вентилятора, основного и дополнительного воздуховодов, клапанов, водяных радиаторов, сильфона, чулка. Не устраняется ускоренное окисление кислородом воздуха образцов ряда материалов при высоких температурах и возможность повреждения внутренних элементов термокамеры при разрушении образца. Имеют место потери тепла в воздуховодах и водяных радиаторах,охлаждающих вводы захватов. Так как в прототипе не предусмотрены фильтры для очистки воздуха, удаляемого из горячего объема камеры, токсичные продукты деструкции образцов в конечном счете оказываются в воздушной среде (за пределами помещения). Задачами изобретения являются обеспечение равномерности и стабильности температуры, а также высокой скорости нагрева длинномерных образцов при больших деформациях растяжения, упрощение конструкции и уменьшение стоимости термокамеры,сокращение длительности и повышение безопасности (устранение выбросов токсичных веществ в окружающую воздушную среду и возможности повреждения внутренних элементов камеры фрагментами образца при разрушении) в условиях высокотемпературных механических испытаний. Решение указанных задач достигается тем, что при использовании существенных признаков, характеризующих известную термокамеру для испытательной машины с горизонтальной осью нагружения образца материала, в которой имеется корпус с герметизирующей дверцей, электрическими нагревателями и термоэлектрическими преобразователями,термокамера содержит гранулированный теплоноситель, расположенный в нижней части корпуса и контактирующий с электрическими нагревателями, две опоры, выполненные с возможностью вращения на 180 и установленные на оси, совпадающей с горизонтальной осью нагружения образца материала и смещенной вверх относительно горизонтальной оси симметрии корпуса. Решение указанных задач достигается также тем, что гранулированный теплоноситель содержит адсорбент. Решение указанных задач достигается также тем, что в качестве адсорбента используется активированный уголь. На фиг. 1 показана схема заявляемого устройства в положении контакта теплоносителя с нагревателями на фиг. 2 показана схема заявляемого устройства в положении контакта теплоносителя с образцом при нагружении. Термокамера содержит корпус 1 с герметизирующей дверцей 2, электрические нагреватели 3, термоэлектрические преобразователи 4, гранулированный теплоноситель 5, две опоры вращательного движения 6. Термокамера устанавливается в рабочее пространство испытательной машины с горизонтально ориентированной осью нагружения, например, модели 062 9 на опорах вращательного движения 6, через которые проходят неподвижный 7 и подвижный 8 захваты для крепления образца. Термокамера работает следующим образом. В положении, показанном на фиг. 1, теплоноситель 5 находится в нижней части термокамеры и контактирует с нагревателями 3. Производят нагрев теплоносителя 5 до требуемой температуры. Образец материала 9 через открытую герметизирующую дверцу 2 устанавливают в захваты 7 и 8 испытательной машины (на фиг. 1 и 2 не показана), находящиеся в свободной от теплоносителя 6 зоне рабочего пространства термокамеры. Закрывают герметизирующую дверцу 2 и, поворачивая термокамеру на опорах вращательного движения 6 на 180, устанавливают ее в положение, показанное на фиг. 2. Теплоноситель 5 под действием силы тяжести перемещается в зону размещения образца 9,который нагревается до температуры теплоносителя. Так как гранулированный теплоно 3 18349 1 2014.06.30 ситель располагается по всей длине образца и является твердым телом, теплопередача осуществляется по всей боковой поверхности образца посредством теплопроводности и скорость нагрева образца существенно повышается в сравнении с конвективной теплопередачей, реализуемой в прототипе 8. Расположение верхнего и нижнего захватов в горизонтальной плоскости обеспечивает равномерность распределения температуры по длине образца. После нагрева образца до заданной температуры проводят его испытание на растяжение. При малом поперечном сечении подвижного захвата 8 и образца 9 гранулированный теплоноситель не оказывает существенного сопротивления их перемещению при испытании на растяжение и благодаря эффективной теплопередаче и значительной теплоемкости обеспечивает равномерность распределения температуры по длине образца в процессе деформирования. Кроме того, гранулированный теплоноситель препятствует разбросу фрагментов образца при разрушении последнего, исключая повреждение внутренних элементов термокамеры. Гранулированный теплоноситель способствует также герметизации захватов и опор термокамеры. Форсированный нагрев позволяет уменьшить длительность испытаний, степень деструкции материала образца и, таким образом, выделение токсичных продуктов. Присутствие углеродсодержащего адсорбента как восстановительного агента препятствует высокотемпературному окислению материала образца. Жидкие и газообразные токсичные компоненты, выделившиеся при нагреве образца, экранируются и удерживаются гранулированным теплоносителем и присутствующим в нем адсорбентом, не проникая в окружающую среду. После завершения испытания поворачивают термокамеру на опорах 6 на 180, обеспечивая возврат теплоносителя под действием силы тяжести в нижнюю часть термокамеры открывают герметизирующую дверцу 2, возвращают подвижный захват 8 в исходное положение и производят смену образца. Теплоноситель допускает периодическую очистку от фрагментов разрушенных образцов просеиванием, а также (в случае железа и его сплавов) - магнитную очистку. В экспериментальном варианте термокамеры с размерами рабочего пространства 5004626 мм использовали стержневой электрический нагреватель мощностью 400 Вт и термоэлектрические преобразователи в виде хромель-копелевых термопар. В качестве теплоносителя использовался гранитный отсев со средним размером гранул 2 мм. Для поглощения газообразных продуктов деструкции использовалась также смесь гранитного отсева с активированным углем в соотношении 95 и 5 по объему. Проверку эффективности заявляемого устройства осуществляли путем испытания на растяжение образцов полиэтиленовой стренги (толстой проволоки) диаметром 2 мм с рабочей длиной 100 мм при скорости растяжения 100 мм/мин и температуре в диапазоне 110-160 С. Нагружение образца осуществлялось на машине 94 (США) для механических испытаний материалов, допускающей горизонтальное перемещение подвижного захвата. Результаты испытания показали высокую скорость нагрева, стабильность температуры и равномерность деформации образцов. При наличии в теплоносителе активированного угля специфический запах продуктов деструкции полиэтилена отсутствовал. Недефицитность отсева и угля, а также небольшой объем термокамеры позволяют выполнять периодическую замену теплоносителя. Проведенные в ИММС НАН Беларуси испытания устройства выявили следующие преимущества в сравнении с известными техническими решениями равномерность и высокую скорость нагрева образца, упрощение конструкции и уменьшение стоимости термокамеры, сокращение длительности испытания и повышение безопасности высокотемпературных механических испытаний. 18349 1 2014.06.30 Источники информации 1. Температурные камеры 3-163/-16. Проспект фирмы . 2. Шах В. Справочное руководство по испытаниям пластмасс и анализу причин их разрушения Пер. с англ. под ред. Малкина А.Я. - СПб Научные основы и технологии,2009. - С. 49-51. 3. Температурные камеры . Проспект фирмы . 4. Проспект фирмы 4. 5.-1. Проспект фирмы. 6. Система высокотемпературных испытаний СТИ-2 М к разрывной машине ИР-504750(ИР-5047-50). 7. Резниковский М.М., Лукомская А.И. Механические испытания каучука и резины. Изд. 2- е. - М. Химия, 1968. - С. 153-157. 8. Патент РФ 2075746, МПК 013/18, 1997 (прототип). 9. Машина горизонтальная разрывная 062 Фирма ., Швеция. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 5