Взрывобезопасная установка для исследования физико-механических и реологических свойств материалов

Предлагаемое изобретение относится к области оборонной техники. Как известно, физико-механические и реологические свойства ВВ и СТТ играют большую роль для оценки новых рецептур, составов и технологии их переработки, поскольку они во многом определяют как режимы формования изделий, так и эксплуатационные возможности последних. Значение физико-механических и реологических характеристик особенно сильно возрастает для составов, применяемых в качестве конструкционного материала, например, состав 710.

Несмотря на то, что для определения физико-механических и реологических свойств образцов из ВВ и СТТ используется большое количество различных испытательных машин и приборов, последние не удовлетворяют достаточно полно требованиям работы с ВВ и СТТ.

По мнению авторов, такими требованиями являются: высокая точность, надежность и простота в работе, широкий диапазон изменения величины и скорости нагружения и деформации, автоматическая, дистанционная регистрация нагрузки и деформации, возможность снятия комплекса физико-механических и реологических свойств образцов в широком диапазоне температур, малогабаритность прибора, возможность использования образцов малого веса, взрывобезопасность привода и регистраторов нагрузки и деформации, сочетание черного и цветного металла в трущихся узлах, установка защиты на самом приборе, простота конструкции, возможность использования прибора как для статических, так и динамических испытаний при знакопеременных нагрузках.

Обеспечение вышеуказанных требований позволит не только отказаться от кабин и громоздкого оборудования, не только повысит безопасность работы в связи с использованием малых образцов, но и значительно облегчит работу синтетических и рецептурных лабораторий по наработке продуктов и составов, поможет значительно расширить исследования по физико-механике и реологии.

В свете вышеприведенных требований применяемые машины и приборы обладают рядом существенных недостатков. Например, машина УМ-5, сконструированная для испытания жестких образцов типа металлических не обладает взрывобезопасным приводом, громоздка, требует для испытаний образцы со сравнительно большим весом и установки в отдельной кабине.

Машина УМ-5 не позволяет плавно регулировать скорость нагружения, не пригодна для испытаний в широком интервале температур, не позволяет дистанционно регистрировать нагрузку и деформацию, не позволяет проводить испытания при знакопеременных нагрузках, а также испытания на твердость и т.д. не позволяет испытывать на прочность образцы, у которых разрушающая нагрузка менее 200 кг из-за недостаточной точности.

Машина МИП-100 не обладает взрывобезопасным приводом, не позволяет, как и машина УМ-5, плавно регулировать скорости нагружения, на ней затруднено измерение деформации жестких образцов /типа нормализованных образцов из пр. 710/, невозможно достаточно точное измерение скорости деформации образца из-за ее зависимости от жесткости упругого элемента, она не позволяет экспериментировать при знакопеременных нагрузках, а также дистанционно регистрировать величину деформации образца при реологических исследованиях.

В связи с вышеизложенным нами предлагается конструкция универсального взрывобезопасного прибора для комплексного исследования физико-механических и реологических свойств ВВ и СТТ, отвечающего указанным требованиям, свободного от недостатков, присущих машинам и приборам типа УМ-5, МИП-100, и т.д.

Описание и принцип работы

Предлагаемый прибор состоит из следующих основных частей и узлов:

1. Корпус /1/

2. Вертикально перемещающаяся опора с устанавливаемой на ней нижней частью сменной оснастки /2/, или упругого элемента в опытах по релаксации, или виброплощадки /2/ в опытах по вибропрессованию.

Опора представляет собой оканчивающийся столиком /3/ винт /4/, который без вращения перемещается в гайке /5/ при повороте последней в кронштейне корпуса /1/.

3. Узел нагружения и силоизмерения состоит из следующих элементов: мембранный пневмопривод /6/, включающий в себя пневмореле /7/, мембрану /8/, регулируемую с помощью винта /9/ пружину /10/, дроссель /11/ и шток /12/, совершающие возвратно-поступательное движение с частотой, фиксируемой с помощью индикатора частоты /счетчика импульсов/ типа СК-1 /13/.

Со штоком /12/ шарнирно связан рычаг /14/, который может совершать поворот на определенный угол относительно оси /15/.

На оси /15/ свободно посажены на общей ступице /16/ храповые колеса /17/ с разным направлением зубьев и жестко связанная с ними шестерня /18/.

На рычаге /14/ шарнирно закреплена собачка /19/, зубья которой поочередно входят в зацепление с зубьями одного из храповых колес /17/. Собачка /19/ устанавливается в определенном положении с помощью перекидной пружины /20/.

Для автоматического перевода собачки /19/ из зацепления с одним в зацепление с другим храповым колесом /17/ предусмотрена выдвижная вилка с упорами /21/ и определенного профиля кулачки - /22/ собачки /19/.

Шестерня /18/ находится в постоянном зацеплении с шестерней /23/ подвижного блока /24/, который может фиксироваться в 2-х положениях, с помощью дистанционно управляемой пневмокамеры /25/ и вилки /26/.

В зависимости от положения блока /24/ движение от шестерни /18/ к гайке /27/ может передаваться через шестерню /28/ на входную шестерню редуктора /29/ и через него на шестерню /30/ гайки /27/, или непосредственно от шестерни /18/ через шестерню /23/ блока /24/ на шестерню /31/ гайки /27/.

Шестерни /30/ и /31/ жестко укреплены на гайке /27/, которая вращается без осевого перемещения в кронштейне корпуса /1/.

В зацеплении с шестерней /31/ находится шестерня /32/ индикатора скорости, /счетчика оборотов/ /33/. В гайке /27/ перемещается без вращения винт /34/. С винтом /34/ связан шток /35/ пневмосилопреобразователя /36/, состоящего из 2-х камер /37/, разделенных мембраной /38/, одна из которых имеет сопло /39/, заслонку /40/, а вторая - регулируемую с помощью гайки /41/ пружину /42/. В первой камере имеются упоры /43/, передающие усилия с мембраны /38/ на корпус пневмосилопреобразователя /36/ и предохраняющие сопло /39/. Нижняя часть пневмосилопреобразователя /36/ является местом крепления рабочего органа или верхней части оснастки /44/.

4. Узел измерения деформации состоит из рычажной передачи /45/, индикатора механического типа /46/, и пневмоизмерителя деформации /47/, представляющего собой две камеры /48/, разделенные мембраной /49/. Одна из камер имеет сопло /50/, заслонку /51/, и упоры /52/, другая - пружину /53/, регулируемую с помощью гайки /54/, шток /55/.

5. Узел измерения деформации и узел нагружения и силоизмерения пневматически связаны с вынесенным на дистанцию регистрирующим самописцем системы "Старт" типа ПВ-4ЗЭ /56/, регистрирующего во времени текущие координаты: нагрузку и деформацию, и панелью управления /57/ с образцовым монометром /58/, пневмотумблером /59/, пневмоклапаном /60/, вентилями /61/ и редуктором /62/, с помощью которых обеспечивается постоянство заданной нагрузки, снятие нагрузки и т.д.

Прибор снабжен пневматическими конечными выключателями /63/ для автоматической остановки винта /34/ во избежание аварии или поломок прибора и пневмокамерой /64/ с тягой /65/, шарнирно связанной со штоком пневмокамеры /64/ и пружиной /20/ для дистанционного переброса собачки /19/ из одного положения в другое и тем самым реверсирования винта /34/. Поскольку работы с ВВ и СТТ являются пожаро-взрывоопасными, к прибору предусмотрен защитный кожух /66/, а в трущихся элементах прибора - сочетание материалов, не дающих искры, например, сочетание черных с цветными металлами.

Конструкция прибора позволяет осуществлять следующие виды испытаний:

1. Определение прочностных и упругих характеристик образцов при испытаниях на растяжение, сжатие, изгиб.

2. Определение твердости.

3. Определение давления истечения, сжимаемости порошков, величины и времени релаксации образцов, температуры стеклования, долговечности, ползучести.

4. Изучение закономерностей как при статическом, так и при вибропрессовании порошков.

5. Испытания на усталость при знакопеременных нагрузках.

Принцип работы прибора заключается в следующем.

Исследуемый образец /67/ устанавливается в оснастку /2, 44/, соответствующую конкретному виду испытания, для случая вибропрессования пресс-инструмент устанавливается на виброплощадке /2/.

Для проведения экспериментов при температурах, отличных от комнатной, образец /67/ в оснастке /2, 44/ помещается в съемную термокамеру /68/, укрепляемую на корпусе /1/ и состоящую из 2-х половин, сопрягающихся по образующей цилиндра и имеющих самостоятельную циркуляцию термостатирующей жидкости.

Используемый для работы прибора сжатый воздух поступает через редуктор /62/ на панель управления /57/. С панели управления /57/ сжатый воздух поступает по соответствующим импульсным трубкам /см. чертеж/ к мембранному пневмоприводу /6/, пневмосилопреобразователю /36/, пневмоизмерителю деформации /47/, пневматическому самописцу /56/, конечным выключателям /63/, пневмокамерам /26 и 64/.

При поступлении сжатого воздуха в мембранный пневмопривод /6/ шток /12/ от мембраны /8/ с пружиной /10/ совершает возвратно-поступательное движение с частотой, задаваемой дросселем /11/. При этом рычаг /14/, совершая колебательные движения вокруг оси /15/, посредством собачки /19/ приводит во вращение храповые колеса /17/ и шестерню /18/, с которой движение через шестерни /23, 31/ или шестерню /28/, редуктор /29/ и шестерню /30/ передается на гайку /27/.

При вращении гайки /27/ винт /34/ получает поступательное движение, которое посредством штока /35/ передается на пружину /42/ пневмосилопреобразователя /36/.

Под воздействием пружины /42/ мембрана /38/ заслонкой /40/ прикрывает сопло /39/ и передает усилие на упоры /43/ и через них на корпус пневмосилопреобразователя /36/ и укрепленный на нем рабочий орган или верхнюю часть оснастки /44/, Последние передают усилие на испытуемый образец /67/.

Заданное усилие на образце /67/ получается следующим образом: с одной стороны мембрана /38/ получает усилие от винта /34/ и штока /35/, зависящее от степени поджатия пружины /42/, предварительно настроенной на определенный диапазон нагрузок, с противоположной стороны мембрана /38/ подвержена давлению сжатого воздуха, подведенного к пневмосилопреобразователю /36/, которое стравливается через сопло /39/, когда заслонка /40/ не закрывает его.

Постепенно возрастая, усилие пружины /42/ и усилие, вызываемое противодавлением сжатого воздуха, выравниваются и в этот момент мембрана /38/ закрывает заслонкой /40/ сопло /39/. Таким образом, по мере движения штока /35/ и поджатия пружин /42/ на образец /67/ передается постепенно возрастающее усилие, которое регистрируется образцовым манометром /69/ и регистрирующим самописцем /56/.

При необходимости получения постоянного усилия /например при прессовании, реологических исследованиях/ на самописце /56/ устанавливается задатчиком требуемая величина нагрузки, благодаря чему винт /34/ останавливается при достижении этой нагрузки.

При уменьшении сопротивления образца /67/ установленному усилию от пневмосилопреобразователя /36/ поступает сигнал на прибор /56/, который вновь включает мембранный пневмопривод /6/, приводящий в движение винт /34/ до тех пор, пока усилие на образце /67/ не достигнет заданной величины.

Для проведения испытаний при знакопеременных нагрузках, а также при вибропрессовании предварительно к собачке /19/ подводится вилка с упорами /21/. При этом при каждом колебательном движении рычага /14/ и соответствующем перемещении собачки /19/ последняя после поворота одного из храповых колес /17/ на один зуб посредством кулачков /22/ и одного из упоров вилки /21/, автоматически перебрасывается в другое положение и возвращает храповое колесо /17/ назад на тот же угол. Таким образом, винт /34/ совершает прямолинейное колебательное движение с частотой, задаваемой дросселем /11/ мембранного пневмопривода /6/.

Все изменения усилия на образце /67/ от момента его нагружения до его разрушения через посредство пневмосилопреобразователя /36/ автоматически фиксируются на диаграмме самописца /56/, а также могут наблюдаться непосредственно на манометре /69/, расположенном на приборе.

Измерение деформации исследуемого образца /67/ осуществляется следующим образом: величина деформации образца /67/, численно равная перемещению пневмосилопреобразователя /36/, что обусловлено конструкцией прибора /передается увеличивающей рычажной передачей /45/ на шток /55/ пневматического измерителя деформации /47/ и индикатор механического типа /46/ Принцип работы пневмоизмерителя деформации /47/ аналогичен принципу работы пневмосилопреобразователя /36/. Однако в этом случае самописец /56/ регистрирует величину перемещения штока /55/, а не усилие. Таким образом, самописец /56/ регистрирует во времени как величину нагрузки, так и величину деформации образца /67/, которая может наблюдаться также по образцовому манометру /70/.

Конструкция прибора позволяет проводить испытания в широком диапазоне нагрузок и деформаций.

В результате этого представляется возможность проводить исследования значительно отличающихся по жесткости и прочности материалов.

Это обеспечивается простой регулировкой пружин /42 и 53/ пневмосилопреобразователя /36/ и пневмоизмерителя деформации /47/ без перенастройки самописца /56/.