Результат интеллектуальной деятельности: Устройство для испытания пластинчатого образца на усталостную прочность

Изобретение относится к испытательной технике и может быть использовано для оценки циклической прочности материалов. Известно, что прочность материала в условиях циклического нагружения существенно зависит от интенсивности напряжений σ_i в возможном очаге разрушения [1]:

где σ₁, σ₂, σ₃ - величины главных напряжений в точке наблюдения. Указанная прочность зависит также и от вида напряженно-деформированного состояния (НДС) в этом очаге [1-2], характеризуемого коэффициентом П - коэффициентом жесткости вида рассматриваемого НДС [3]:

Прочность материала в конкретной детали конструкции, имеющей заданный уровень и вид напряженного состояния в возможном очаге разрушения, является конструкционной прочностью материала [4]. Для ее определения в случае сложного НДС детали реальной конструкции эффективным является плоскоцилиндрический образец для механических испытаний [5], имеющий форму круглой пластины, на противоположных сторонах которой выполнены U-образные канавки с одинаковым в своих поперечных сечениях профилем, направляющие оси которых расположены под прямым углом друг к другу. В образце, предложенном в [5] рабочей, т.е. зоной расположения возможного очага разрушения, является зона перемычки материала, расположенная в центральной зоне образца. Указанный образец позволяет моделировать в рабочей зоне образца вид сложного НДС, характеризуемого заданным значением величины 77, значение которой может изменяться в широком практически значимым диапазоне значений коэффициента 77 в зависимости от значений геометрических параметров U-образные канавок [6].

Известно устройство [7], позволяющее испытывать пластинчатые крестообразные образцы материала на усталостную прочность. Указанные образцы находятся при этом в сложном НДС с заданным значением коэффициента П. Указанное устройство имеет существенный недостаток: для его применения необходимо использовать сложную высоконагруженную рамно-шарнирную оснастку, позволяющую сформировать разнонаправленные испытательные усилия, действующие в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Указанные усилия необходимы для обеспечения необходимого вида НДС, характеризуемого заданным значением коэффициента П.

Известно устройство [8] для испытания круглого пластинчатого образца, предложенного в [5] на усталостную прочность при заданном виде НДС. Процесс испытаний производится в этом случае путем воздействия на образец нагружающей жидкой или газообразной средой, подаваемой под давлением через сопло в виде напорной струи, направленной на центральную часть образца. К недостаткам такого устройства относится необходимость создания сложной нагружающей системы в виде компрессора и трубопроводов. Существенным недостатком указанного устройства является то, что оно не позволяет испытывать толстостенные пластинчатые образцы, что существенно ограничивает возможности моделирования конструкционной прочности материала массивных высоконагруженных элементов машин, находящихся в условиях сложного НДС.

Наиболее близким техническим решением рассматриваемой проблемы, принятым за прототип, является способ испытания образцов с помощью машины (рычага) Фейрбейрна [9]. Для проведения усталостных испытаний концу специального рычага сообщалось циклическое вертикальное движение от стержня, прикрепленного к равномерно вращающемуся эксцентрику. К недостатком такой машины следует отнести невозможность ее использования для испытания образцов в виде плоскоцилиндрических пластин.

Целью изобретения является создание устройства для оценки усталостной конструкционной прочности материала в процессе циклических испытаний плоскоцилиндрических образцов, материал рабочей зоны которых находится в сложном напряженно-деформированном состоянии, характеризуемом заданным значением коэффициента П - коэффициента жесткости вида НДС.

Поставленная цель достигается тем, что испытуемый образец нагружают силой от сжатой до заданного значения пружины через рычаг и пуансон сферического профиля, а циклическое изменение нагрузки осуществляют путем уменьшения реакции пружины с помощью системы вращающихся кулачков (эксцентриков).

Существо изобретения пояснено на фиг. 1, где представлена принципиальная схема устройства, создающего циклическое нагружение-разгружение испытуемого образца; на фиг. 2 - вид А на поперечное сечение по П-образной стойке 7.

Устройство для испытания пластинчатого образца на усталостную прочность имеет следующую конструкцию. На металлической платформе 1 установлена стойка 2, шарнирно соединенная с рычагом 3. Рычаг выполнен из двух параллельно расположенных пластин для повышения прочности и создания пространства для других деталей. На конце короткого плеча рычага между двух пластин шарнирно вставлен пуансон 4, оказывающий давление на пластинчатый образец 5, помещенный на полую цилиндрическую опору 6 в виде полого цилиндра со ступенчатым изменением диаметра его внутренней поверхности. На определенном расстоянии от оси рычага, определяемом из условия создания на испытываемый образец испытательного циклического усилия необходимой величины, установлена П-образная стойка с подвешенной к верхней полке пружиной 8, которая верхней стороной упирается в рычаг. Подвеска пружины выполнена в виде шпильки 9, у которой снизу приварен фланец 10 для посадки пружины, а верхнее резьбовое окончание служит для создания необходимого предварительного сжатия пружины с помощью гайки 11. Шпилька подвески проходит между пластин рычага и выходит через отверстие на верхней полке П-образной стойки. Концевая часть длинного плеча содержит опорный ролик 12, который контактирует с одним из эксцентриков 13. Для вращения эксцентриков их ось с помощью муфты соединена с регулируемым электроприводом, в качестве которого может быть использован стандартный мотор-редуктор (на схеме не показан).

При испытании образец укладывается на опорный полый цилиндр 6 со ступенчато изменяющимся внутренним диаметром. При этом цилиндрическая пластина-образец имеет наружный диаметр равный по величине внутреннему диаметру большей величины полой цилиндрической опоры 6, создавая при этом возможность опирания испытываемого образца на внутреннюю ступень полого цилиндра в зоне в зоне ступенчатого изменения его внутреннего диаметра. С помощью гайки 11 предварительно создается сжатие пружины 8, которое передается через рычаг 3 и пуансон 4 на образец 5, создавая расчетную нагрузку на испытываемый образец. При этом в образце создается сложное напряженное состояние с заданной характеристикой вида НДС, возникающего под воздействием испытательного усилия. В процессе своего вращения эксцентрик 13 позволяет при нажатии на опорный ролик 12 частично уменьшить или полностью снять усилие, действующее на образец. Величина усилия, действующего в процессе испытаний, при этом может регистрироваться с помощью специальной тензометрической системы, фиксирующей величины деформаций и, соответственно, усилий, передаваемых на образец рычагом 3. Один цикл действия испытательной нагрузки на образец соответствует при этом одному обороту эксцентрика 13. После проведения определенного числа циклов нагружения в процессе испытаний проводится неразрушающий контроль образца для выявления появляющихся усталостных трещин в его рабочей зоне.

Список цитируемых документов:

1. Когаев В.П., Махутов Н.А., Гусенков А.П. Расчеты конструкций на прочность и долговечность. Справочник. - М.: Машиностроение. - 1981. - 272 с.

2. Вансович, К.А. Экспериментальное изучение скорости роста поверхностных трещин в алюминиевом сплаве АК-6 и в стали 20 при двухосном нагружении / К.А. Вансович, В.И. Ядров // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. - 2013. - Том 15, №4(2). - С. 436-438.

3. Смирнов-Аляев Г.А. Механические основы пластической обработки металлов. Инженерные методы расчета. - Л.: Машиностроение. - 1968. - 272 с.

4. Махутов Н.А. Конструкционная прочность, ресурс и техногенная безопасность. В двух частях. Часть 1. Критерии прочности и ресурса. - Новосибирск. «Наука». 2005 г. 494 с.

5. Патент на изобретение №2360227, G01N 3/08. Образец для оценки прочности материала при сложном напряженном состоянии / Цвик Л.Б., Черепанов А.П., Пыхалов А.А. и др.; опубликован: 27.01.2009; заявитель и патентообладатель Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Иркутский государственный университет путей сообщения» (РФ).

6. Патент на полезную модель №176972 Российская Федерация, МПК G01M 13/00. Устройство для двухосных испытаний крестообразных образцов / К.А. Вансович, В.И. Ядров; заявитель и патентообладатель Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Омский государственный технический университет» (РФ).

7. Зеньков Е.В., Цвик Л.Б., Пыхалов А.А. Дискретное моделирование напряженно-деформированного состояния плоскоцилиндрических образцов с концентраторами напряжений в виде канавок. - Вестник ИрГТУ. - 2011 г., №7. С. 64-69.

8. Патент №2418284, G01N 3/12 Российская Федерация, МПК. Способ испытания пластинчатого образца на усталостную прочность и устройство для его осуществления / Цвик Л.Б., Черепанов А.П., Храменок М.А. и др.; заявитель и патентообладатель Открытое акционерное общество «Иркутский научно-исследовательский и конструкторский институт химического и нефтяного машиностроения» (ОАО ИркускНИИхиммаш) (РФ)

9. Тимошенко СП. История науки о сопротивлении материалов. - М.: Государственное издательство технико-теоретической литературы. - 1957 г. 534 с.