Устройство для испытания плоских образцов на усталость

(51) МПК (2006) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИСПЫТАНИЯ ПЛОСКИХ ОБРАЗЦОВ НА УСТАЛОСТЬ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт прикладной физики Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Бусько Валерий Николаевич Венгринович Валерий Львович Довгялло Анатолий Григорьевич(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт прикладной физики Национальной академии наук Беларуси(57) Устройство для испытания плоских образцов на усталость, содержащее контролируемый образец, основание, узел защемления образца, силовозбудитель, отличающееся тем,что дополнительно содержит две подставки для крепления образца, индикатор амплитуды колебаний, счетчик числа оборотов диска, электродвигатель, на валу которого расположен стальной диск, в качестве силовозбудителя используют расположенные нормально к плоскости диска как минимум два подшипника качения, которые расположены в пазах диска, длина пазов, диаметры подшипников качения и их взаимное расположение выбираются из условия требований к форме и уровню создаваемых в образце знакопеременных изгибных напряжений.(56) 1. Школьник Л.М. Методика усталостных испытаний. - . Металлургия, 1978. - 300 с. 2. А.с. СССР 1769072. Установка для усталостных испытаний образцов материалов / Е.В. Лодус. МПК 501 3/34 // Открытия, изобретения - 1992. -38. - С. 150. 52482009.04.30 3. А.с. СССР 1769071. Стенд для испытаний образцов при изгибе / А.В. Константинов,Э.П. Николаев, Л.В. Соколова. МПК 501 3/34 // Открытия, изобретения - 1992.38. - С. 150. 4. Тимошук Л Механические испытания металлов. - . Металлургия, 1971. - 224 с. Устройство относится к области неразрушающего контроля (К) металлических ферромагнитных и неферромагнитных металлов и их сплавов и может быть использовано 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. Известно типовое устройство, предназначенное для испытания плоских образцов 1,основанное на кинематической схеме консольного или чистого изгиба. Так, при консольном изгибе нагружающая система состоит из плоского консольного динамометра, жестко соединенного со станиной и испытуемым образцом, укрепленным на свободном конце динамометра. Перемещение нагружаемой системы создается при помощи шатуна или кривошипа. Меняя радиус кривошипа, можно изменять уровень нагрузки, измеряемой динамометром, при циклическом нагружении образца. При использовании схемы чистого изгиба величина задаваемой образцу нагрузки изменяется также регулированием радиуса кривошипа и измеряется динамометром. Недостатком данного типового устройства 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 мало- и многоцикловых знакопеременных испытаний. Известна установка для усталостных испытаний образцов материалов 2, в которой испытание образцов обеспечивается при ступенчатом изменении нагрузок без изменения частоты нагружений, для передачи изгибных напряжений снабжена зубчатым колесом,рейкой, инерционным грузом, предназначенным для соединения со свободным концом образца, двумя парами эксцентриковых механизмов, толкателем, двумя парами эксцентриковых механизмов с шатунами, один из которых связан с толкателем, а второй - с колесом, причем одна пара относительно другой расположены с эксцентриситетом,приводами вращения эксцентриковых механизмов, рейкой и фиксаторами. Недостатком данной установки является наличие двух эксцентриковых механизмов и одного толкателя для передачи образцу изгибных напряжений, которые не позволяют перестраивать схему создания изгибных знакопеременных напряжений в образце. Установка имеет большое число навесных элементов, что увеличивает вероятность их расбалансировки. Кроме того,установка, вследствие наличия в зубчатой шестерне определенного количества зубьев, не позволяет изменять частоту нагружений образца. В результате значительно снижается точность и достоверность контроля образцов на усталость. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемой полезной модели является стенд для испытаний на усталость образцов при изгибе 3, в котором для создания в образце изгибных напряжений используется силовозбудитель, связанный с ним и предназначенный для связи с одним концом образца переходник в виде П-образной вилки, перекладина которой предназначена для жесткой связи с образцом, а зубья - для его схватывания, причем вилка соединена с П-образной опорой, зубья которой связаны с соответствующими зубьями П-образной вилки. Недостатком испытательного стенда являет 2 52482009.04.30 ся сложность регулирования амплитуды создаваемых напряжений, отсутствие возможности изменения схемы нагружения. Для создания в образце изгибных напряжений используется сложная пневматическая система. Для изменения амплитуды создаваемых напряжений необходимо производить переналадку установки путем замены зубьев и П-образной вилки. Все это значительно усложняет схему создания напряжений и приводит в итоге к снижению точности, достоверности, производительности испытаний и ограничивает функциональные возможности стенда. В предлагаемой полезной модели решается задача повышения точности, достоверности испытания, простоты, а также расширения функциональных возможностей на основе универсализации установок подобного типа для испытания плоских образцов на усталость. Сущность предлагаемого устройства для испытаний плоских образцов на усталость состоит в том, что оно содержит станину, на которой размещены подставка для регулирования образца по высоте, узел защемления образца, индикатор амплитуды колебаний, характеризующий величину прогиба образца, электродвигатель с закрепленным на его валу диском с двумя, как минимум, подшипниками качения с возможностью их перемещения в пазах диска, счетчик числа оборотов для подсчета циклов нагружения. В качестве силовозбудителя для создания в образце знакопеременных изгибных напряжений используются подшипники качения. Причем подшипники качения расположены таким образом, что их центральные оси параллельны оси образца, вращение подшипников вокруг своей оси осуществляется благодаря соприкосновению подшипника с плоскостью образца поперек его ширины, т.е. подшипники расположены нормально к плоскости образца. Основным отличительным признаком предлагаемого устройства от аналогов и прототипа является то, что оно содержит два или более подшипника качения, нормально расположенные на стальном диске в пазах с возможностью их перемещения, диск, в свою очередь, расположен на валу электродвигателя. Такая схема устройства, основанная на преобразовании вращательного движения диска в вертикальное возвратно-поступательное движение незащемленной части плоского образца с возможностью регулирования амплитуды изменения изгибных напряжений, позволяет создавать изгибные напряжения в плоских образцах. Подшипники качения одновременно выполняют роль силовозбудителя-толкателя для создания в образце изгибающего момента и обеспечивают постоянство амплитуды циклических упругих разнопеременных напряжений растяжение-сжатие в образце. Взаимное расположение их зависит от количества оборотов электродвигателя в минуту, размеров образца и диаметров подшипников. Стальной диск с расположенными на нем подшипниками качения относительно плоскости испытуемого образца расположен перпендикулярно. Испытуемый ферромагнитный образец плоской формы жестко закреплен одним концом в специальных зажимах. Второй свободный конец образца колеблется относительно своего свободного состояния в результате последовательного воздействия на него внешних колец стальных подшипников качения, установленных на стальном круглом диске плоской формы. При вращении вала электродвигателя стальной диск с расположенными на нем специальным образом подшипниками качения, в момент соприкосновения наружного кольца подшипников с верхней и нижней плоскостями образца, заставляет колебаться свободный конец образца, создавая в нем изгибные напряжения растяжениясжатия. Располагая подшипники (не менее двух) различных диаметров и устанавливая их на различном расстоянии друг от друга с помощью находящихся на стальном диске пазов,можно изменять уровень (амплитуду) и форму изгибных напряжений в образце. При равных диаметрах подшипников качения и одинаковом расстоянии подшипников, регулируемых с помощью их перемещения в пазах вращающегося диска до плоскости образца,устройство позволяет создавать в образце симметричные знакопеременные изгибные напряжения. В случае различия диаметров подшипников качения и различных расстояниях их до образца можно также осуществить асимметричные колебания конца образца, что 3 52482009.04.30 значительно труднее осуществимо на типовых устройствах для усталостных испытаний образцов по схеме консольного изгиба. Зная толщину, ширину и сечение образца, модуль упругости и величину прогиба конца образца, определяемую индикатором перемещения,по известным формулам сопромата или с помощью подвешиваемых грузиков можно вычислить величину напряжений в любой точке поверхности образца. Зная число оборотов электродвигателя, измерив секундомером время испытаний, можно задать базовое число циклов нагружения или определить его экспериментально при проведении цикловых испытаний. Таким образом, с помощью специально расположенных на вращающемся стальном диске подшипников качения можно получить симметричные и асимметричные колебания образца с различными амплитудами и формами создаваемых в его сечении напряжений. С помощью использования предлагаемых элементов в устройстве решается основная техническая задача - повышаются точность и достоверность испытаний плоских образцов и значительно расширяются функциональные возможности устройств подобного типа. На фиг. 1 представлена схема предлагаемого устройства для испытания плоских образцов на усталость (вид сбоку). На фиг. 2 представлены схема и три фазы алгоритма работы основного фрагмента предлагаемого устройства для испытания плоских образцов на усталость. На фиг. 3 представлены схемы циклов напряжений и разновидности форм циклов симметричных (а) и асимметричных (б) напряжений, реализуемых в предлагаемом устройстве. Устройство для испытания плоских образцов (фиг. 1) содержит стальную станину 1,болты крепления 2 подставки 3 для закрепления образца, стопорный винт 4 и стопорную контргайку 5 для закрепления и регулирования узла защемления образца 6, жестко закрепленного на подставке 7, перемещаемой в вертикальной плоскости в подставке 3, испытуемый плоский образец 8 с возможностью его защемления в узле 6 с помощью болтов 9,два подшипника качения 10 для создания изгибных напряжений в образце, электродвигатель переменного тока 11 с закрепленным на его валу стальным диском 12, механический счетчик числа оборотов 13, индикатор амплитуды колебаний 14, жестко закрепленный на корпусе электродвигателя 11, пазы 15, находящиеся в стальном вращающемся диске 12 для обеспечения возможности перемещения обоих подшипников качения 10 с целью изменения амплитуды создаваемых в образце 8 напряжений. Устройство работает следующим образом. Испытуемый образец 8 (фиг. 1) плоской формы закрепляют в узле защемления 6 и фиксируют его с помощью болтов 9. Подводят узел защемления образца 6 вместе с зафиксированным в нем образцом 8 на соответствующий уровень по высоте с помощью подставки 7 и фиксируют данное положение с помощью контргайки 5 и стопорного винта 4. При нестандартной длине испытуемого образца на его конце для создания прогиба оптимальное его положение можно отрегулировать путем перемещения электродвигателя 11 по станине 1. Данное положение испытуемого образца относительно стального диска 12 иллюстрируется рисунком, изображенным на фиг. 2 (фаза 1). При вращении стального диска 12, закрепленного на валу электродвигателя, один из подшипников 10, вращаясь на своей оси, сверху вниз надавливает на образец 8. При этом создаваемая в образце 8 амплитуда колебаний характеризует амплитуду цикла напряжений, равную а (фиг. 2, фаза 2). Вращаясь далее, стальной диск 12 с расположенным на нем вторым подшипником качения аналогичным образом давит на поверхность образца снизу-вверх, заставляя образец изгибаться в противоположную сторону. Амплитуда циклов напряжений в этом случае также равна а (фиг. 2, фаза 3), но уже с противоположным знаком. В результате размах цикла напряжений в образце будет равен 2 а. Во всех случаях амплитуда колебаний измеряется индикатором амплитуды колебаний 14, который отражает величину прогиба образца 8, с помощью которого рассчитываются напряжения а, соответствующие данному прогибу, как для симметричных, так и для асимметричных циклов напряжений. 4 52482009.04.30 Уровень амплитуды колебаний конца образца 8 можно регулировать с помощью перемещения обоих подшипников качения 10 в пределах длины пазов 15, а также с помощью изменения диаметра обоих подшипников качения 10. При равенстве диаметров подшипников качения 10 и соответствующей установке образца 8 относительно стального диска 12 форма изгибных напряжений в образце будет симметричной и будет соответствовать представленной на фиг. 3 а схеме циклов напряжений. Здесь а - амплитуда цикла напряжений,- среднее напряжение цикла. В случае неравенства между собой диаметров обоих подшипников качения схема циклов напряжений будет соответствовать схеме,представленной на фиг. 3 б. Изменяя диаметры подшипников качения 10, создающих упор на испытуемый образец 8, их положение в пазах 12, можно смоделировать практически любую схему асимметричных переменных напряжений с различными коэффициентами асимметрии/ 4. В результате использования двух подшипников качения 10 в качестве упора для создания изгибных знакопеременных напряжений растяжения и напряжений сжатия в образце 8, практически исключается температурный нагрев испытуемого образца, наблюдаемый вследствие сухого трения при использовании вместо подшипников качения неподвижно закрепленного на стальном диске эксцентрика. Отсутствие нагрева в образце при использовании такой схемы нагружения позволяет повысить достоверность уровня полученных в результате изгибных испытаний усталостных напряжений, измеряемых после цикловых испытаний любым методом измерения изменений физико-механических свойств в сечении испытуемого образца. В результате циклических колебаний конца контролируемого изделия 8, вблизи зоны защемления образца после достижения определенного количества циклов нагружения,возникают микротрещины, изменяются физико-механические характеристики поверхностного слоя испытуемого образца, которые могут быть зарегистрированы различными методами и средствами. Для создания эффективных напряжений вблизи точки защемления испытуемого образца его толщина и ширина должны быть не более 2,5 и 25 мм соответственно (для электродвигателя мощностью 180 Вт). Геометрические размеры испытуемого образца могут быть другими, они, в основном, определяются мощностью электродвигателя, а также конструктивными особенностями основных элементов устройства для испытания образцов. Используя в качестве электропитания электродвигателя автотрансформатор (ЛАТР), можно плавно регулировать частоту вращения вала электродвигателя, тем самым значительно снизить отрицательное влияние от возможного при большом прогибе резкого ударного воздействия подшипников на кромку образца. Предлагаемая конструкция устройства для усталостных испытаний плоских образцов позволяет значительно расширить функциональные возможности испытательных машин с использованием схемы консольного изгиба, отличается значительной простотой конструкции и удобством ее использования в сравнении с аналогичными установками, стендами и устройствами и является универсальной. Устройство позволяет создавать в образце как симметричные, так и несимметричные упругие циклические колебания с возможностью регулирования амплитуды создаваемых напряжений, тем самым появляется возможность значительно увеличить точность испытаний и достоверность неразрушающего контроля физико-механических свойств образца. С помощью такого устройства, в отличие от обычно используемых устройств, реализующих в основном кулачковый или эксцентриковый принцип, можно осуществлять испытания образцов на изгиб, моделирующих широкий диапазон встречающихся в реальных конструкциях и их элементах различные схемы напряжений, что в итоге позволяет повысить точность, достоверность, производительность испытаний, а также существенно расширить функциональные возможности устройств данного типа. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 6