Результат интеллектуальной деятельности: Установка для динамических испытаний плоских образцов материалов на растяжение

Изобретение относится к испытательной технике и может быть использовано для проведения экспериментальных исследований свойств материалов в условиях высокоскоростного нагружения.

Известна установка для динамических испытаний плоских образцов материалов на растяжение (авторское свидетельство СССР №1283599, МПК G01N 3/30, опубликовано 15.01.1987 г.), содержащая ударник, соосно установленные трубчатый передающий и нагружающий стержни, стержень-динамометр, размещенный внутри трубчатого стержня, захватные элементы под испытуемый образец на концах нагружающего стержня и стержня динамометра. Нагружающий стержень и стержень-динамометр выполнены каждый в виде двух параллельно установленных полуцилиндров, обращенных один к другому плоскими поверхностями, и охватывающих их концы, фиксирующие образец, обойм, выполненных из материала с эффектом памяти, что расширяет диапазон испытательных нагрузок за счет более надежного крепления испытуемого образца.

Динамические испытания на данной установке достаточно трудоемки, поскольку требуют предварительного деформирования обойм, а также их нагрева при креплении испытуемого образца.

Известна установка для динамических испытаний плоских образцов материалов на растяжение (авторское свидетельство СССР №890134, МПК G01N 3/30, опубликовано 15.12.1981 г.), содержащая статическую разрывную машину с подвижной траверсой, размещенной между неподвижной траверсой и основанием, с которым связан пассивный захват для закрепления испытуемого образца, и вспомогательный разрушаемый при заданной статической нагрузке элемент. Вспомогательный элемент установлен соосно захватам испытуемого образца и связан другим своим концом с неподвижной траверсой. Связь вспомогательного элемента с подвижной и неподвижной траверсами осуществляется посредством реверсора. Соосное размещение вспомогательного элемента и испытуемого образца исключает изгибающий момент и поперечные колебания.

Проведение каждого испытания на данной установке требует изготовления и монтажа, как образца, так и вспомогательного элемента и реверсора, причем таким образом, чтобы при испытании разрушение вспомогательного элемента происходило раньше разрушения испытываемого образца. При этом вспомогательный элемент должен: иметь предел прочности на сжатие выше предела прочности на растяжение испытываемого образца; после разрушения не противодействовать дальнейшему деформированию образца (условие относится также и к реверсору). Возможное незначительное динамическое нагружение образца в данном случае может быть вызвано лишь кратковременным повышением растягивающей силы, действующей на образец, после разрушения вспомогательного элемента. Существенным недостатком данного изобретения является сложность интерпретации полученных данных в результате испытания образца, подвергнутого и статическому и динамическому нагружению.

Прототипом выбрана установка для динамических испытаний плоских образцов материалов на растяжение (авторское свидетельство СССР №1273773, МПК G01N 3/30, опубликовано 30.11.1986 г.), содержащая механический копер и механизм передачи нагрузки плоскому образцу. Механический копер является частью корпуса, внутри которого закреплен механизм передачи нагрузки образцу, связанный с активным захватом, и динамометрический стержень с пассивным захватом для образца. Корпус расположен на основании. Механизм передачи нагрузки выполнен в виде установленной в направляющих тележки, на раме которой закреплен активный захват, и плоского кулачка с логарифмическим профилем рабочей поверхности. Кулачок установлен с возможностью соударения с грузом и вставлен между корпусом и осью колесной пары тележки. На оси колесной пары установлен ролик, контактирующий с рабочей поверхностью кулачка. Изобретение повышает достоверность результатов испытаний путем обеспечения постоянства скорости деформации.

Ключевым недостатком данного изобретения является невозможность обеспечения больших скоростей деформации (более 200 с^-1), обусловленная конструктивными особенностями механизма передачи нагрузки.

Технической задачей предложенного изобретения является создание установки для испытания плоских образцов материалов на растяжение в диапазоне скоростей деформаций до 200 с^-1 и более.

Техническая задача решается тем, что в предлагаемой установке для динамических испытаний плоских образцов материалов на растяжение, содержащей механический копер и механизм передачи нагрузки плоскому образцу, механизм передачи нагрузки имеет корпус подвижный и основание «П»-образной формы. Основание расположено внутри корпуса подвижного и имеет арочные сквозные выемки у опорных частей стенок. Для крепления в стенках основания верхней части плоского образца предусмотрены неподвижная ось с головкой, гайка, шайбы и малые втулки зажимные. Шайбы размещены на неподвижной оси с головкой между малой втулкой зажимной и головкой неподвижной оси, расположенной в стенке основания, и между малой втулкой зажимной и гайкой, расположенной в стенке основания, противоположной стенке, размещающей головку неподвижной оси. Для крепления в стенках корпуса подвижного нижней части плоского образца предусмотрены подвижная ось с головкой, гайка специальная, шайбы регулировочные и большие втулки зажимные. Шайбы регулировочные размещены на подвижной оси с головкой между большой втулкой зажимной и головкой подвижной оси, расположенной в стенке корпуса подвижного, и между большой втулкой зажимной и гайкой специальной, расположенной в стенке корпуса подвижного, противоположной стенке, размещающей головку подвижной оси. К рабочим плоским поверхностям малых втулок зажимных и больших втулок зажимных присоединены гайки зубчатые. Неподвижной осью с головкой является болт с внутренним шестигранником. Подвижной осью с головкой является болт.

Изобретение поясняется фигурами 1, 2, 3 и 4, где на фиг. 1 показан общий вид установки для динамических испытаний плоских образцов материалов на растяжение, на фиг. 2 - разрез А-А плоского образца при его размещении в установке, на фиг. 3 - разрез Б-Б установки с закрепленной верхней частью плоского образца, на фиг. 4 - плоский образец укороченный (пятикратный) для динамических испытаний, имеющий геометрические размеры: малый радиус сопряжения рабочей части образца с его уширенной частью а=4 мм, ширина рабочей части образца б=4 мм, большой радиус сопряжения рабочей части образца с его уширенной частью в=7,5 мм, диаметр отверстий верхней и нижней уширенных частей образца г=5,1 мм, длина рабочей части образца д=20 мм, расстояние между центрами отверстий верхней и нижней уширенных частей образца е=37±0,5 мм, общая длина образца ж=52 мм, ширина уширенных частей образца з=15 мм.

Установка для динамических испытаний плоских образцов материалов на растяжение включает механический копер, имеющий деформирующий узел 1 с возможностью совершения вертикального возвратно-поступательного движения, и механизм передачи нагрузки плоскому образцу, содержащий корпус подвижный 2 «П»-образной формы, размещенный снаружи от основания 3 «П»-образной формы с арочными сквозными выемками у опорных частей стенок, предназначенного для зажима посредством малых втулок зажимных 4 и гайки 5 на неподвижной оси с головкой 6 с использованием шайб 7 верхней части плоского образца 8. Корпус подвижный 2 обеспечивает зажим нижней части плоского образца 8 посредством шайб регулировочных 9, гайки специальной 10, больших зажимных втулок 11 и подвижной оси с головкой 12. Основание 3 установлено на плите подкладной 13, под которой расположена месдоза 14, размещенная на наковальне 15 механического копра. Диаметры отверстий малых втулок зажимных 4, гайки 5, шайб 7, верхней уширенной части плоского образца 8 совпадают с диаметром неподвижной оси с головкой 6, диаметры отверстий нижней уширенной части плоского образца 8, шайб регулировочных 9, гайки специальной 10, больших втулок зажимных 11 совпадают с диаметром подвижной оси с головкой 12. К рабочим плоским поверхностям малых втулок зажимных 4 и больших втулок зажимных 11 присоединены гайки зубчатые 16 для повышения надежности зажима плоского образца 8 в процессе его растяжения. Неподвижная ось с головкой 6 выполнена в виде болта с внутренним шестигранником, а подвижная ось с головкой 12 - в виде болта. Для размещения гайки 5 и неподвижной оси с головкой 6 основание 3 имеет сквозные отверстия, расположенные на одной геометрической оси. Для размещения гайки специальной 10 и подвижной оси с головкой 12 корпус подвижный 2 имеет сквозные отверстия, расположенные на одной геометрической оси.

Установка для динамических испытаний плоских образцов материалов на растяжение с учетом вышеприведенного описания работает следующим образом.

Перед монтажом плоского образца 8 в установке откручивают от подвижной оси с головкой 12 и удаляют гайку специальную 10 из корпуса подвижного 2, извлекают подвижную ось с головкой 12 из корпуса подвижного 2, одновременно снимая с нее шайбы регулировочные 9 и большие втулки зажимные 11, снимают корпус подвижный 2 с основания 3. Далее откручивают от неподвижной оси с головкой 6 и удаляют гайку 5 из основания 3, извлекают неподвижную ось с головкой 6 из основания 3, одновременно снимая с нее шайбы 7 и малые втулки зажимные 4.

Вставляют неподвижную ось с головкой 6 в сквозное отверстие стенки основания 3, отверстия шайб 7, малых втулок зажимных 4, верхней уширенной части плоского образца 8, гайки 5, размещая ее в сквозном отверстии противоположной стенки основания 3, таким образом, что верхнюю уширенную часть плоского образца 8 располагают между гайками зубчатыми 16 малых втулок зажимных 4, отделяемых от гайки 5 и головки неподвижной оси 6 шайбами 7. Закручивают гайку 5 на неподвижной оси с головкой 6, обеспечивая надежный зажим верхней уширенной части плоского образца 8.

Помещают поверх основания 3 корпус подвижный 2. Вставляют подвижную ось с головкой 12 в сквозное отверстие стенки корпуса подвижного 2, отверстия шайб регулировочных 9, больших втулок зажимных 11, нижней уширенной части плоского образца 8, гайки специальной 10, размещая ее в сквозном отверстии противоположной стенки корпуса подвижного 2, таким образом, что нижнюю уширенную часть плоского образца 8 располагают между гайками зубчатыми 16 больших втулок зажимных 11, отделяемых от гайки специальной 10 и головки подвижной оси 12 шайбами регулировочными 9. Закручивают гайку специальную 10 на подвижной оси с головкой 12, обеспечивая надежный зажим нижней уширенной части плоского образца 8.

Деформирующий узел 1 механического копра поднимают над корпусом подвижным 2 на необходимую высоту, выбираемую в зависимости от требуемой скорости деформирования и растягивающей силы плоского образца 8. Реализуют падение деформирующего узла 1, который в некоторый момент времени контактирует с корпусом подвижным 2. Корпус подвижный 2 перемещается вертикально вниз, незначительно претерпевая трение с основанием 3. При этом одновременно перемещаются подвижная ось с головкой 12, гайка специальная 10 в арочных сквозных выемках опорных частей стенок основания 3, шайбы регулировочные 9, втулки зажимные 11 и нижняя уширенная часть плоского образца 8 - осуществляется растягивание плоского образца 8. Плита подкладная 13 и месдоза 14, установленная на наковальне 15 механического копра, обеспечивают измерение растягивающей силы. Рабочее перемещение деформирующего узла 1 механического копра происходит под действием сил гравитации.

Для обеспечения точности результатов динамических испытаний на предложенной установке в качестве испытываемого образца следует использовать плоский образец укороченный (пятикратный) (фиг. 4).

Таким образом, предложенная конструкция установки для динамических испытаний плоских образцов материалов на растяжение благодаря механизму передачи нагрузки от деформирующего узла механического копра к испытываемому образцу позволяет проводить экспериментальные исследования свойств материалов в условиях высокоскоростного нагружения и испытывать плоские образцы на растяжение в диапазоне скоростей деформаций до 200 с^-1 и более.