Автоматизированное устройство для охлаждения образцов при усталостных испытаниях на изгиб

Решение относится к области усталостных испытаний материалов на изгиб и предназначено для охлаждения образцов в процессе подготовки и проведения усталостных испытаний на изгиб.

Известно устройство для усталостных испытаний образцов при температуре до 20 К [Вологжанина С.А., Иголкин А.Ф. Хладостойкие материалы. Лабораторные работы: Учеб.-метод. пособие. – СПб.: Университет ИТМО, 2015. – 42 с.]. Нагружение здесь производится по схеме поперечного изгиба консольно-закрепленных вращающихся образцов круглого сечения с помощью пневматического устройства. Процесс охлаждения осуществляется средой жидкого водорода, в которой и находится образец в процессе испытания. Также автоматически осуществляется регистрация и запись деформации образца. Температура образца измеряется термопарами. Количество циклов нагружения регистрируется механическим счетчиком, соединенным приводом с электродвигателем.

Недостатком данного устройства является невозможность оценки степени разрушения образца в ходе испытаний. Невозможно регулировать температуру испытания, отличную от температуры хладагента, вследствие того что сам образец находится в его среде. Взрыво – и пожароопасность вследствие применения в качестве хладагента жидкого водорода, вследствие чего необходимо применение сложных систем контроля в процессе испытания.

Известно также установка для испытаний материалов на усталость в вакууме при низких температурах [Авторское свидетельство СССР № 510665, кл. G01N3/18, 1972 г.]. Испытания образцом и их охлаждение осуществляется следующим образом: в камере размещены емкость для хладагента, захваты для крепления образца, гибкие хладопроводы, активная и пассивная тяги с набором сетчатых дисков. Пары хладагента, сообщающиеся в верхней части емкости, поступают в полые тяги, одна из которых (активная) соединена с нагружающим устройством и захватом, а другая (пассивная) - с динамометром и захватом. Пары охлаждают тяги и компенсируют теплоприток по ним к образцу. После охлаждения образца до требуемой температуры активная тяга жестко закрепляется в нагружающем устройстве и образец подвергается циклическому растяжению - сжатию. Усилие при этом измеряется рабочим динамометром.

Недостатком данного устройства является отсутствие контроля устойчивости процесса проведения испытания, дополнительного оснащения, такого как датчиков температуры непосредственно на образце для более точного контроля температуры в зоне разрушения, а также отсутствие контроля процесса разрушения.

Наиболее близким является «Автоматизированное устройство для охлаждения образцов в процессе проведения длительных усталостных испытаний сварных образцов при низких температурах» [RU 2457460]. Здесь процесс охлаждения осуществляется за счет того, что образец помещается в одну из двух частей камеры, связанную с другой частью камеры, в которой находится хладагент. Средство подачи охлаждающей среды в виде холодного воздуха из отсека с хладагентом в отсек с испытуемым образцом выполнено в виде принудительного нагнетателя воздуха, размещенного в отсеке с хладагентом, а система контроля температуры в отсеке камеры с образцом представляет собой размещенные в упомянутом отсеке датчики температуры, связанные с внешним управляющим компьютером, которым оснащено устройство.

Недостатком данного способа является невозможность установления температуры испытания ниже -50°С вследствие охлаждения воздушной средой и применения в качестве хладагента твердой углекислоты. Также недостатком, как и для устройств, представленных выше, является невозможность оценки степени разрушения образца в ходе испытаний.

Для расширения области использования устройства и исключения выявленных недостатков в качестве хладагента предлагается использовать жидкий азот и автоматизировать процесс охлаждения и поддержания необходимой температуры в процессе испытания и предусмотреть контроль параметров акустической эмиссии в процессе испытания с целью оценки степени разрушения образца в ходе испытаний.

Задача – обеспечение контроля процесса охлаждения образцов для проведения испытаний на усталость при пониженных температурах, поддержание постоянной температуры в процессе всего времени испытания, а также автоматизация процесса регистрации сигнала АЭ и определение его параметров в зависимости от количества циклов нагружения.

Технический результат заключается в ускорении и автоматизации процесса охлаждения образцов в процессе проведений испытаний на усталость и процесса построения диаграмм изменения параметров акустической эмиссии в зависимости от количества циклов нагружения.

Технический результат достигается тем, что процесс охлаждения осуществляется комбинированно как за счет передачи холода по хладопроводу, так и за счет подачи охлажденного воздуха в криокамеру. При этом процессы, описанные выше, полностью автоматизированы за счет регулирования температуры посредством открытия/закрытия заслонки камеры и нагревания до необходимой (устойчивой) температуры зажима хладопровода. Кроме этого, дополнительно непосредственно на образце устанавливается датчик акустической эмиссии, а на приводное устройство - счетчик количества циклов с выходом на ЭВМ для оценки степени разрушения образца в ходе испытаний и выявления зависимостей количества циклов испытания от напряжения, возникающего в опасном сечение образца.

Схема устройства для охлаждения образцов при усталостных испытаниях на изгиб показана на фиг 1.

Принцип работы устройства следующий. В теплоизолированную камеру 1 заливается в установленных пределах хладагент из сосуда Дьюара посредством регулируемого клапана 2. Эта камера связана с камерой 3, которая с целью уменьшения потерь холода изготовлена из материала с низким коэффициентом теплопроводности и дополнительной изоляцией. Соединительное отверстие 4 обеспечивает приток холодного воздуха от камеры 1 в камеру 3, при этом интенсивность потока холодного воздуха (паров азота) регулируется открытием/закрытием регулировочной заслонки 5. Образец 6 закрепляется с использованием механизма закрепления 7, который представляет из себя нижнюю регулируемую по высоте платформу с пазом, в который устанавливается медный зажим 8, выполняющий две функции: передачу холода от хладопровода 9 непосредственно на образец, а также закрепления образца в процессе испытания. С целью уменьшения потерь холода медный зажим 9 заизолирован от механизма закрепления дополнительными вставками. Для регулирования рабочей температуры на медный зажим 8 установлен резистор 10, который нагревает зажим до определенной, постоянной в процессе охлаждения, температуры. Резистор 10, в свою очередь, управляется через блок контроля рабочей температуры на ЭВМ 11 и связан с источником постоянного тока 12. Для оценки степени разрушения образца и контроля рабочей температуры в процессе испытания на образец устанавливают датчик температуры 13 и датчик акустической эмиссии 14, а на приводе установки для усталостных испытаний устанавливается счетчик количества циклов 15. Сигналы с датчиков поступают на блок обработки сигнала на ЭВМ 16 и обрабатываются специальным программным обеспечением. Кроме этого, сигнал с датчика температуры поступает на блок 11 и после обработки подает сигнал на открытие/закрытие регулируемого клапана 2, в случае достижения охлаждаемой жидкостью датчиков уровня минимум (min) и максимум (max) и заслонки 5.

Таким образом, за счет применения двухпоточного охлаждения удается снизить время на охлаждение образца и добиться более равномерного его охлаждения. Применения блоков 11 и 16 позволяет значительно снизить время на установление рабочей температуры, обеспечить ее контроль в процессе испытания, а также оценить степень разрушения образца с использованием сигнала с датчика акустической эмиссии и счетчика количества циклов нагружения образца.