Машина испытательная для механических испытаний материалов на растяжение

 

Изобретение относится к средствам для механических испытаний материалов на растяжение. Машина испытательная для механических испытаний материалов на растяжение включает в себя нагружающее устройство, состоящее из основания, колонн, траверсы, силового привода нагружения (электрогидравлического или электромеханического), электротензометрического датчика силы, пассивного и активного захватов, датчика деформации, датчика перемещения активного захвата, блока измерения деформации, блока управления нагружением или перемещением активного захвата и ЭВМ с программным обеспечением автоматического расчета механических характеристик материала испытываемого образца по результатам измерения параметров испытания. При этом датчик измерения деформации выполнен в виде двух метрологически идентичных и механически и электрически независимых тензопреобразователей, соединенных с блоком измерения деформации, имеющим два выхода: в виде половины суммы сигналов двух преобразователей и разности этих сигналов, по которым ЭВМ вычисляет модуль упругости материала испытываемого образца, напряжение изгиба, напряжение от осевой нагрузки (силы) и суммарное напряжение с учетом поступающих сигналов от датчика силы и заданной площади поперечного сечения образца. Данное изобретение обеспечивает повышение точности определения механических характеристик испытываемых образцов материалов на растяжение. 1 ил.

Изобретение относится к испытательной технике. Преимущественная область применения: механические испытания материалов на растяжение.

Широко известны машины испытательные для механических испытаний материалов на растяжение, обеспечивающие осевое деформирование образцов испытываемых материалов, измерение нагрузки и деформации в процессе испытания электрическими приборами, входящими в состав машины, и автоматическое вычисление механических характеристик испытываемых материалов по результатам испытаний (Проспекты зарубежных фирм: Zwick, MFL, Schenck (Германия), Instron (Великобритания), MTS (США) до 1981 года (до принятия стандартов DIN 51302-81 (Германия) и BS 1610-81 (Великобритания) и отечественной фирмы "Каталог продукции НИК-ЦИМ", Журнал "Приборы", №3 2001). При этом точность измерительных приборов достаточно высока (в соответствии с отечественным стандартом ГОСТ 28840 и зарубежными стандартами ISO 7500-1 и EN 10002-3 погрешность измерений не должна превышать (±0,5-±3)% от измеряемого значения в зависимости от класса машины).

Недостатком этих машин (как и испытательных машин с ручным вычислением механических характеристик образцов испытываемых материалов) является низкая достоверность механических характеристик материалов - пределов текучести и прочности на разрыв из-за объективно имеющей место несоосности захватных устройств (пассивного и активного захватов) для крепления испытываемых образцов. Величина этой несоосности может изменяться от испытания к испытанию, приводит к значительному разбросу результатов испытаний из-за возможных изгибных напряжений, возникающих при растяжении испытываемых образцов. При этом величина изгибных напряжений может превышать на порядок допустимую погрешность измерения осевых напряжений, оцениваемых по осевому датчику силы.

Этого недостатка, в некоторой степени, лишены испытательные машины с автоматическим управлением и вычислением механических характеристик испытываемых образцов материалов и оценкой соосности зажимных устройств (пассивного и активного захватов) и погрешности от сопутствующего изгиба с помощью специального тензометрического датчика силы, являющиеся наиболее близкими аналогами заявляемой испытательной машины. (Проспекты зарубежных фирм: "Zwick/Roell" (Германия) 2000-2001 г, - "Instron" (Великобритания) 1985-2001 г., "MTS" (США) 1999-2000 г.). Например по Германскому стандарту DIN 51 302 - 85 погрешность от сопутствующего изгиба, определяемая один раз с помощью специального тензометрического датчика силы при сдаче испытательной машины для испытания образцов материалов на растяжение из производства, допускается не более 5%. Таким образом установленная погрешность измерения нагрузки (силы) меньше 5% или равная ей для конкретной испытательной машины может учитываться расчетным путем или автоматически при определении механических характеристик реальных образцов материалов.

Однако такой метод исключения погрешности при определении механических характеристик образцов материалов при испытании их на растяжение имеет ряд существенных недостатков. Во-первых, напряжения от случайных изгибов нестабильны не только при испытаниях различных типов и типоразмеров образцов материалов, но и при испытаниях идентичных образцов по той причине, что практически невозможно выполнить идентичную установку серии образцов в захватах разрывной машины. Во-вторых, взаимное расположение пассивного и активного захватов, при смене зажимных элементов, не остается постоянным от испытания к испытанию. В - третьих, испытываемые образцы материалов реально не могут быть геометрически идентичными.

Этих недостатков лишена заявляемая машина испытательная для механических испытаний материалов на растяжение, имеющая достоинства машин с автоматическим управлением и вычислением механических характеристик испытываемых образцов материалов на растяжение и обеспечивающая существенное повышение их достоверности путем автоматического вычисления напряжений сопутствующего изгиба, преобразования их в дополнительные напряжения растяжения и определения эквивалентных механических характеристик (пределов упругости, текучести и прочности).

Сущность изобретения состоит в том, что датчик измерения деформации выполнен в виде двух метрологически идентичных и механически и электрически независимых тензопреобразователей, соединенных с вторичным преобразователем сигналов от датчика деформации - блоком измерения деформации, имеющим два выхода: в виде половины суммы сигналов двух преобразователей и разности этих сигналов, по которым ЭВМ вычисляет модуль упругости материала испытываемого образца, напряжение изгиба, напряжение от осевой нагрузки (силы) и суммарное напряжение с учетом поступающих сигналов от датчика силы и заданной площади поперечного сечения образца по формулам

где S - площадь поперечного сечения испытываемого образца, Р_y - наибольшая нагрузка (сила) в области упругих деформаций испытываемого образца - предел пропорциональности, εΣ - половина суммы деформаций, измеренных двумя механически и электрически независимыми тензометрическими датчиками при нагрузке (силе) Р_y, Е - модуль упругости материала образца, ε _- - разность деформаций, измеренных двумя механически и электрически независимыми тензометрическими датчиками при нагрузке (силе) Р_y, Р - нагрузка (сила) соответствующая пределу упругости (пределу пропорциональности), пределу текучести или пределу прочности материала образца, σ _- - напряжение от сопутствующего изгиба, σ ₀ - напряжение от осевой нагрузки (силы) Р и σ - суммарное напряжение, определяющее действительный предел упругости, предел текучести или предел прочности образца на разрыв.

На приведенном чертеже схематично изображена машина испытательная для механических испытаний материалов на растяжение, обеспечивающая осуществление учета случайных изгибных напряжений в процессе испытаний на растяжение. Благодаря чему реально повышается достоверность результатов испытаний в части определения механических характеристик материалов.

В состав данного изобретения входят нагружающее устройство, содержащее основание 1, колонны 2, траверсу 3, силовой привод нагружения 4 (электрогидравлический или электромеханический), электротензометрический датчик силы 5, захваты 6 и 7 (активный и пассивный), датчик деформации 8 и датчик 9 перемещения активного захвата 6, блок измерения силы 11, блок измерения деформации 12, блок управления нагружением или перемещением 13 активного захвата 6 и ЭВМ 14, вычисляющая и индицирующая суммарное - эквивалентное напряжение в испытываемом образце 10 от осевого растяжения и сопутствующего изгиба, и линии связей составных частей 16-26.

Блоки измерения силы 11 и деформации 12 и блок управления нагружением или перемещением 13 активного захвата 6 выполняют следующие функции. Блок измерения силы 11, соединенный линиями связи 17 с ЭВМ 14 и линией связи 18 с блоком управления 13, передает им величину силы в цифровом значении. Блок измерения деформации 12, соединенный линиями связи 21 и 22 с двумя преобразователями датчика деформации 8, формирует выходные сигналы в цифровом значении разности деформаций диаметрально противоположных образующих испытываемого образца 10 и половины суммы двух сигналов (т.е. сигнал средней деформации образца). Разностный и суммарный сигнал подаются соответственно по линиям 19 и 20 на ЭВМ 14, которая вычисляет модуль упругости материала испытываемого образца, напряжение изгиба и суммарное напряжение с учетом поступающих сигналов от блока измерения силы 11 и заданной площади поперечного сечения образца.

Сигнал от датчика перемещения активного захвата 6 предается на блок управления 13 по линии связи 25, которая формирует выходные сигналы на ЭВМ 14 по линиям связи 23 и 24 по скорости нагружения и скорости перемещения активного захвата 6 и сигнал управления силовым приводом 4 по линии связи 26.

Заявляемая испытательная машина работает следующим образом. Испытываемый образец закрепляется в пассивном захвате 7, затем на нем устанавливается датчик деформации 8 так, чтобы ножи смежных преобразователей находились на диаметрально противоположных образующих (для круглого образца). При этом преобразователи механически и электрически независимы, но калиброваны в одном масштабе и перед закреплением образца в нижнем активном захвате 6 должны иметь нулевые показания. Затем образец зажимается в активном захвате 6. При этом в случае несоосности захватов, еще до создания осевой нагрузки, на блоке измерения деформации 12 индуцируются разные показания двух преобразователей датчика деформации 8. Далее посредством блока управления 13 задается режим возрастания осевой нагрузки до определенного уровня или до разрушения образца. Сигнал управления подается на исполнительный силовой привод 4 по линии 26. Обратная связь управления по силе подается с блока измерения силы 11 по линии 18. При работе в режиме управления по деформации обратная связь по скорости деформирования поступает в блок управления 13 от датчика перемещения 9 по линии 25.

Таким образом благодаря наличию двух независимых преобразователей датчика деформации 8, блок измерения деформаций 12 формирует выходные сигналы в цифровом значении разности деформаций диаметрально противоположных образующих испытываемого образца 10 и половины суммы двух сигналов (т.е. сигнал средней деформации образца). При этом в случае несоосности захватов еще до создания осевой нагрузки на образце, но наличия в нем изгибающего напряжения, на блоке измерения деформации 12 индуцируются разные показания двух преобразователей датчика деформации 8, преобразуются им и используются в ЭВМ для вычисления суммарного напряжения на образце, что существенно повышает достоверность автоматического определения механических характеристик материала испытываемых образцов на заявляемой машине.

Формула изобретения

Машина испытательная для механических испытаний материалов на растяжение, включающая нагружающее устройство, состоящее из основания, колонн, траверсы, силового привода нагружения (электрогидравлического или электромеханического), электротензометрического датчика силы, пассивного и активного захватов, датчика деформации, датчика перемещения активного захвата, блока измерения деформации, блока управления нагружением или перемещением активного захвата и ЭВМ с программным обеспечением автоматического расчета механических характеристик материала испытываемого образца по результатам измерения параметров испытания, отличающаяся тем, что датчик измерения деформации выполнен в виде двух метрологически идентичных и механически и электрически независимых тензопреобразователей, соединенных с блоком измерения деформации, имеющим два выхода: в виде половины суммы сигналов двух преобразователей и разности этих сигналов, по которым ЭВМ вычисляет модуль упругости материала испытываемого образца, напряжение изгиба, напряжение от осевой нагрузки (силы) и суммарное напряжение с учетом поступающих сигналов от датчика силы и заданной площади поперечного сечения образца по формулам

где S - площадь поперечного сечения испытываемого образца;

Р_y - нагрузка (силы) в области упругих деформаций испытываемого образца - предел пропорциональности;

εΣ - половина суммы деформаций, измеренных двумя механически и электрически независимыми тензометрическими датчиками при нагрузке (силе) Р_y;

Е - модуль упругости материала образца;

ε _- - разность деформаций, измеренных двумя механически и электрически независимыми тензометрическими датчиками при нагрузке (силе) P_y;

Р - нагрузка (сила), соответствующая пределу упругости (пределу пропорциональности), пределу текучести или пределу прочности материала образца;

σ _- - напряжение от сопутствующего изгиба;

σ ₀ - напряжение от осевой нагрузки (силы) Р;

σ - суммарное напряжение, определяющее действительный предел упругости, предел текучести или предел прочности образца на разрыв.

РИСУНКИ