Результат интеллектуальной деятельности: Установка для механических испытаний образцов листовых материалов на усталость при изгибе

Предлагаемое изобретение относится к испытательной технике, а именно к устройствам для испытания на усталость образцов листовых материалов при изгибе.

Известна машина для испытаний на усталость консольных образцов при изгибе (см.: Серенсен С.В., Гарф М.Э., Кузьменко В.А. Динамика машин для испытаний на усталость. - М.: Машиностроение, 1967, стр. 33). Машина состоит из консольного динамометра, жестко закрепленного в станине, и образца, установленного на свободном конце динамометра при помощи зажимного устройства. Динамические перемещения свободного края образца создаются шатуном и кривошипным механизмом. Регулирование величины, прикладываемого к образцу усилия, осуществляется изменением радиуса кривошипа. Величина нагрузки, действующей на образец, определяется с помощью зеркала, установленного на зажимном устройстве и отражающего луч света от лампочки на шкалу. Длина светлой полосы, наблюдаемой на шкале, пропорциональна прогибу конца динамометра и, следовательно, величине изгибающего момента.

Недостатками данной машины являются несовершенство измерительных приборов, которое может привести к большим погрешностям при определении величины внешней нагрузки, и сложность кинематической схемы.

Известна резонансная машина для испытаний на усталость консольных образцов при изгибе (авторское свидетельство СССР №700816), принятая в качестве прототипа, содержащая вибратор с инерционной массой, захваты для крепления образцов, динамометр, закрепленный на раме машины, и привод, соединенный с инерционной массой гибким валиком. Корпус вибратора выполнен с направляющей, имеющей возможность качаться на опорах, жестко связанных с рамой машины.

Недостатками данной машины являются ограничение изменения габаритов образцов в узких пределах, поскольку динамометр и ролики жестко зафиксированы на раме машины, отсутствие возможности изменения коэффициента асимметрии циклов и частоты нагружения, поскольку эти параметры зависят от модели вибратора.

Задача изобретения состоит в расширении функциональных возможностей путем обеспечения испытания образца произвольных габаритных размеров, возможности регулирования параметров режима нагружения, таких как коэффициент асимметрии цикла и частота приложения внешней нагрузки.

Эта задача решается за счет того, что установка для механических испытаний образцов листовых материалов на усталость при изгибе, содержащая источник колебаний, захваты для крепления образца и измерительное устройство, источник колебаний выполнен в виде трехфазного электродинамического вибратора, подключенного к частотному преобразователю переменного тока, а измерительное устройство представляет собой датчик перемещений, установленный в корне консоли образца, подключенный к ЭВМ и снабжена калиброванным грузом, закрепленным на свободном конце образца.

На приведенном чертеже изображена схема установки для механических испытаний образцов листовых материалов на усталость при изгибе.

Предлагаемая установка состоит из источника колебаний 1, подключенного к частотному преобразователю переменного тока 2, для моделирования схем переменных напряжений с различными коэффициентами асимметрий цикла, захватов 3, 4, измерительного устройства 5, калиброванного груза 6. Источник колебаний 1 выполнен в виде трехфазного электродинамического вибратора, закрепленного на свободном конце образца 7. Груз 6, предназначенный для задания средних напряжений цикла, представляет собой набор грузовых дисков. Захват 3 выполнен в виде уголков, прикрепленных к стойке 8. Измерительное устройство 5 для замера относительных деформаций установлено в корне консоли и представляет собой тензодатчик, связанный с ЭВМ.

Практическая реализация предлагаемого устройства выполняется с использованием следующих компонентов:

- источник колебаний - трехфазный электродинамический площадочный вибратор ИВ-127;

- частотный преобразователь переменного тока - Instart MCI-G0.75-2B;

- измерительное устройство - съемный тензодатчик типа ТДМ системы «Тензор-МС».

Устройство работает следующим образом.

Образец 7 крепится в захватах 3, 4. В корне консоли образца 7 устанавливается тензодатчик 5. В захвате 4 закрепляется груз 6. На свободном конце образца 7 закрепляется трехфазный электродинамический вибратор 1, подключенный к частотному преобразователю переменного тока 2. Включение вибратора 1 приводит к возбуждению вертикальных колебаний образца 7. Усилие изгиба, создаваемое на образце, определяется тензодатчиком 5 и задается величиной частоты переменного тока частотного преобразователя 2. Коэффициент асимметрии цикла и частоту совместных колебаний вибратора 1 и образца 7 регулируют величиной частоты переменного тока преобразователя 2. Изменение величины средних напряжений цикла производят путем воздействия статической силы, величина которой задаются весом калиброванного груза 6.

При проведении испытаний листового образца размерами 360×900×12 мм из стали Ст.3 за счет изменения общей массы груза от 10 до 80 кг и частоты колебаний от 5 до 25 Гц была получена возможность варьировать максимальные напряжения цикла от 100 до 4000 кг/см², а коэффициент асимметрии цикла от -1 до +0,8. При испытаниях образца с грузом общей массой 70 кг и работе вибратора на частоте 7 Гц по показаниям съемного тензодатчика 5 были получены максимальные напряжения 2700 кг/см², минимальные - -1200 кг/см². Испытания на долговечность при изгибе показали, что при таком режиме нагружения, трещина усталости в образце образовалась через 87 часов после начала испытаний, т.е. при 2,2⋅10⁶ циклов. Испытания лабораторных образцов при различных режимах нагружения позволяют определить зависимость количества циклов приложения нагрузки от максимальных напряжений цикла и коэффициента асимметрии цикла и построить семейство кривых усталости для прогнозирования долговечности конструкций, подобных лабораторным образцам.

Таким образом, разработанная для механических испытаний и исследования усталости образцов установка, основанная на моногармоническом циклическом нагружении, в результате применения новых технических решений по формированию напряжений в образце позволила увеличить производительность и достоверность испытаний, обеспечила простую схему приложения внешней нагрузки, проведение усталостных испытаний при изгибе образцов произвольных габаритных размеров, неразрушающий контроль и возможность регулирования параметров режима нагружения, таких как коэффициент асимметрии цикла и частота приложения внешней нагрузки.