Устройство для циклических испытаний плоских образцов прямоугольного сечения

(51) МПК (2009) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЦИКЛИЧЕСКИХ ИСПЫТАНИЙ ПЛОСКИХ ОБРАЗЦОВ ПРЯМОУГОЛЬНОГО СЕЧЕНИЯ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт прикладной физики Национальной академии наук Беларуси(72) Автор Бусько Валерий Николаевич(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт прикладной физики Национальной академии наук Беларуси(57) Устройство для циклических испытаний плоских образцов прямоугольного сечения,содержащее основание, узел защемления испытуемого образца, электродвигатель, диск,реверсивный счетчик числа оборотов, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит второй вращающийся диск, два выступа, установленные на образующих вращающихся дисков, два зубчатых колеса с одинаковым числом зубьев, находящихся между собой в зацеплении, расположенными на двух валах, вращающихся в двух втулках и установленных в закрепленной в станине стойке, одно зубчатое колесо вместе с первым диском расположено на валу электродвигателя, второе установлено на втором валу и благодаря зацеплению с первым зубчатым колесом приводится во вращение в противоположном направлении, а расстояние между выступами, определяемое калиброванным между зубьями расстоянием, равно величине прогиба образца.(56) 1. Тимошук Л.Т. Механические испытания металлов. - М Металлургия, 1971. - 224 с. 2. А СССР 678386, МПК 01 3/34. Устройство для испытания плоских образцов на усталость при знакопеременном чистом изгибе / Л.В.Кукса, Е.П.Богданов // Бюл. Открытия, изобретения 29. - 1979. 3. Школьник Л.М. Методика усталостных испытаний. - М. Металлургия, 1978. - 300 с. 4. Патент РБ 5248, МПК 013/32. Устройство для испытания плоских образцов на усталость / В.Н.Бусько, В.Л.Венгринович, А.Г.Довгялло. Заявка 20080763 от 14.10.2008// АБ 2, 2009. - Опубл. 30.04.2009. - С. 202-203. Полезная модель относится к области испытательной техники, неразрушающему контролю (НК) металлических образцов и может быть использована для испытаний, контроля и диагностики как малоцикловой, так и многоцикловой усталости с целью прогнозирования долговечности и усталостного разрушения. Известны различные устройства, механизмы, стенды и машины для переменных (с учетом знака и времени) испытаний плоских металлических образцов на изгиб. К одним из наиболее распространенных устройств для испытания образцов на изгиб, реализуемых в различных машинах, стендах и т.д., относятся различные испытательные машины, основанные на использовании различных приспособлений для обеспечения чистого изгиба испытуемых образцов 1. Однако конструкции таких машин и стендов не приспособлены для испытаний образцов на изгиб при консольной схеме нагружения образца. Аналогичными недостатками обладает устройство для испытания плоских образцов на усталость при знакопеременном чистом изгибе, содержащее корпус, расположенные в нем неподвижные опоры для установки между ними образца, силовозбудитель и механизм для создания чистого изгиба образца дисковой формы в виде двух пуансонов, на которых расположены подвижные опоры в виде удерживаемых сепаратором шариков с лыской 2. Известны машины (типовые устройства), предназначенные для испытания плоских образцов, которые имеют кинематическое нагружение по схеме консольного изгиба, содержащие плоский консольный динамометр, станину, образец, укрепленный на свободном конце динамометра, шатун, кривошип или эксцентрик для создания перемещения системы 3. Регулируя радиус кривошипа, можно изменять величину нагрузки, измеряемой динамометром при циклическом нагружении образца. Недостатком такого типа испытательных машин является наличие жесткой привязки узла, состоящего из шатуна с испытуемым образцом, что не позволяет получить заданные форму и вид изгибных напряжений образца по времени. Также недостатком является неудобство регулирования уровня нагрузки, связанное с тем, что необходимо иметь шатуны различной длины или кривошипные механизмы различного диаметра. Все это ограничивает возможность регулирования уровня изгибных напряжений и ограничивает функциональные возможности установок такого рода, в итоге приводит к снижению достоверности и точности при мало- и многоцикловых знакопеременных испытаниях. К общим недостаткам, присущим устройствам для испытания плоских образцов материалов на усталость материалов, можно отнести громоздкость,сложность, использование кривошипно-шатунного механизма и других вспомогательных элементов для обеспечения нагружения образца. Недостатком является неудобство регулирования уровня нагрузки, связанное с тем, что необходимо иметь шатуны различной длины или кривошипные механизмы различного диаметра. Все это ограничивает возможность регулирования уровня изгибных напряжений и функциональные возможности установок такого рода, в итоге приводит к снижению достоверности и точности мало- и многоцикловых знакопеременных испытаний. Кроме того, практически во всех установках для измерения величины прогиба используют или индикатор часового типа, или динамометрический динамометр, что увеличивает погрешность оценки величины прогиба образца и снижает производительность испытаний. 2 60322010.02.28 Наиболее близким по технической сущности к предлагаемой полезной модели является устройство для испытания плоских образцов на усталость 4, содержащее станину,узел защемления образца, установленный на вертикально перемещаемой подставке, два подшипника качения для создания изгибных напряжений в образце, электродвигатель переменного тока с закрепленным на его валу стальным диском с пазами для перемещения двух подшипников качения для регулирования амплитуды и формы нагружения образца и выполняющих роль силовозбудителей, реверсивный счетчик числа оборотов, индикатор часового типа амплитуды колебаний, жестко закрепленный на электродвигателе. Недостатком является то, что после изменения величины прогиба, или амплитуды создаваемых напряжений в образце, необходимо каждый раз производить его измерения с помощью индикатора часового типа, что значительно снижает достоверность и производительность испытаний. В предлагаемой полезной модели решается задача повышения точности и достоверности испытания, а также расширения функциональных возможностей установок данного типа на основе их модернизации при испытаниях плоских образцов на усталость. Сущность предлагаемого устройства для циклических испытаний заключается в том,что оно содержит основание, узел защемления образца, два вращающихся в противоположные стороны диска с расположенными на них двумя выступами, два вала, электродвигатель, два зубчатых колеса, стойку с втулками для вращения в них валов, реверсивный счетчик. Незащемленный свободный конец образца колеблется относительно своего свободного состояния под действием последовательного воздействия на него двух выступов,установленных на двух вращающихся от электродвигателя дисках, которые выступают в роли силовозбудителя для создания в образце изгибных напряжений. На дисках установлены два зубчатых колеса с одинаковым числом зубьев, расположенные каждый на своем валу и вращающиеся в противоположные стороны. Кроме наличия второго диска, двух выступов и двух зубчатых колес, которые вращаются в противоположные стороны, путем изменения калиброванного расстояния между зубьями зубчатых колес исключена трудоемкая операция измерения прогиба образца с помощью индикатора часового типа. При известных расстояниях между зубьями появляется возможность пошагово перемещать зубья относительно друг друга, тем самым в образце задается нормированный изгибающий момент и обеспечивается постоянство амплитуды циклических упругих разнопеременных напряжений растяжение-сжатие в образце. При известных длине, ширине, толщине, модуле упругости и величине прогиба образца, определяемом расстоянием между выступами или количеством зубьев между ними, по известным формулам сопромата или экспериментальным путем с помощью грузиков можно вычислить величину напряжений в любой точке поверхности образца. Таким образом, с помощью специально расположенных на вращающихся дисках выступов, а также двух зубчатых колес, вращающихся в противоположных направлениях, можно получить циклические колебания образца прямоугольного сечения с заданным значением прогиба. С помощью использования предлагаемых элементов в устройстве решается основная техническая задача - повышаются достоверность и производительность испытаний плоских образцов и значительно расширяются функциональные возможности устройств подобного типа. На фиг. 1 представлена схема предлагаемого устройства для циклических испытаний образцов прямоугольного сечения (вид сбоку), фиг. 2 - его вид сверху. Устройство для циклических испытаний образцов прямоугольного сечения (фиг. 1, 2) содержит основание 1, на котором установлен узел защемления 2 испытуемого образца 3,закрепленный с помощью четырех винтов или болтов 4 в узле защемления 2, два стальных диска 5 с расположенными на их образующей двумя выступами 6, два вала 7 и 8, один из которых приводится во вращение непосредственно электродвигателем 9, а второй - с помощью зубчатой передачи, состоящей из двух зубчатых колес 10 с одинаковым числом зубьев, стойку 11 для крепления в ней двух втулок 12 для вращения валов 7 и 8, реверсивный счетчик 13 числа оборотов вала электродвигателя 9. 3 60322010.02.28 Устройство работает следующим образом (фиг. 1, 2). На жестком металлическом основании 1 в узле защемления 2, изготовленном из стали,посредством болтов или винтов 4 закрепляется испытуемый образец 3 прямоугольного сечения соответствующей длины, ширины и толщины. Для создания в свободном конце образца 3 знакопеременных изгибных колебаний с различной амплитудой образец 3 подвергается изгибу в направлении вверх-вниз с помощью двух выступов 6, расположенных на образующих двух вращающихся стальных дисков 5. Два выступа 6 должны быть изготовлены из износоустойчивого высокопрочного материала, их форма должна быть такой, чтобы обеспечивать плавный механический контакт с поверхностью испытуемого образца. Крепление выступов 6 к дискам 5 осуществляется механическим способом. Диски 5, имеющие одинаковые диаметры, вращаются в противоположные стороны в валах 7 и 8,тем самым обеспечивая в вертикальном направлении колебательное движение конца образца 3 относительно его горизонтальной плоскости в направлении вверх-вниз. В данном случае вращающиеся диски 5 с расположенными на их образующих выступами 6 являются силовозбудителями и выполняют роль толкателей для создания знакопеременных изгибных напряжений в незащемленной части образца 3. Один из дисков 5 расположен на первом валу 7 электродвигателя 9, а второй - на втором валу 8, соединенных между собой посредством двух зубчатых колес 10. Противоположное относительно друг друга вращение дисков 5 (фиг. 1, 2) обеспечивается благодаря использованию расположенных на валах 7 и 8 двух зубчатых колес 10, имеющих строго одинаковое число зубьев. Так, при вращении по часовой стрелке (фигуры) вала 7 с расположенным на нем одним из дисков 5 с выступом 6, благодаря зубчатой передаче, второй вал 8 вместе со вторым диском 5 и вторым выступом 6 будет вращаться в обратном направлении. Стойка 11, в которой впрессованы две втулки 12, в которых вращаются валы 7 и 8, закреплена на основании 1. Скорость циклирования испытуемого образца определяется частотой вращения вала электродвигателя 9, диаметрами стальных дисков 5 и зубчатых колес 10, а также числом зубьев на них. Варьируя частоту вращения электродвигателя, размеры дисков и зубчатых колес, можно изменять скорость циклирования образца в широких пределах. При передаточном отношениидвух зубчатых колес 10, находящихся в зацеплении, равном 1, при известных числе зубьевили расстоянии(шаг) между ними (в мм) можно, путем переустановки и перемещения на 1, 2, ,зубьев одного зубчатого колеса относительно другого в одну или другую сторону, изменять расстояние(фигуры) между выступами 6,практически равное величине прогиба образца. В итоге можно пошагово, за счет калиброванного расстояния между зубьями, регулировать таким образом прогиб образца в обе стороны, создавая в нем как симметричные, так и асимметричные формы изгибных знакопеременных напряжений. Применение такой схемы создания знакопеременных изгибных напряжений позволяет исключить трудоемкую процедуру замера прогиба образца с помощью индикатора часового типа после каждого изменения величины прогиба, в результате значительно возрастает точность и достоверность регулирования и изменения прогиба, а значит, и величина напряжений в образце, что в итоге приводит к увеличению достоверности и производительности испытаний исследуемого образца на изгиб. Предлагаемая конструкция устройства позволяет значительно расширить функциональные возможности испытательных машин с использованием схемы консольного изгиба, отличается значительной простотой конструкции и удобством ее использования в сравнении с аналогами и прототипом и является универсальной. Регулируя расстояниемежду выступами, устройство позволяет создавать в образце как симметричные, так и несимметричные упругие циклические колебания с возможностью пошагового регулирования амплитуды создаваемых напряжений, тем самым появляется возможность значительно увеличить достоверность и производительность неразрушающего контроля физико-механических свойств образца. 4 Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 5