Устройство для быстрой оценки механических характеристик упругих материалов

Изобретение относится к испытательной технике к области исследований физико-механических свойств материала. Внедрение заявленного устройства планируется в химическом производстве при выпуске изделий из полимерных материалов, поролона, минеральной ваты и др. Устройство для быстрой оценки механических характеристик упругих материалов содержит корпус, внутри которого расположен шток, установленный с возможностью перемещения относительно корпуса и упора. Положение штока фиксируется с помощью спускового крючка и стягивающей пружины, на переднем ограничителе перемещения установлен датчик давления, накрытый эластичной полусферой и связанный с микроконтроллером. Шток изготовлен из немагнитного материала с вмонтированными в его верхнюю грань на равном расстоянии друг от друга малогабаритными постоянными магнитами, на нижней грани штока выполнены стопорные выемки, над штоком расположен магниточувствительный датчик перемещения, подающий сигнал микроконтроллеру, связанному с информационным табло. Технический результат: разработанное устройство позволит комплексно оценивать прочность, упругость и пластичность испытываемого материала. Устройство малогабаритно, портативно и просто в эксплуатации. Испытания свойств готового изделия или образца материала возможно осуществлять в месте его хранения и изготовления. При этом сокращается время испытания, уменьшается трудоемкость процесса исследования. В результате из множества образцов материала будет быстрее выбран высококачественный образец и выполнена выбраковка некачественных изделий (образцов), а при выпуске материала будет скорректирована технология изготовления. 1 ил.

 

Изобретение относится к испытательной технике к области исследований физико-механических свойств материала, а именно к устройствам для определения механических характеристик упругопластичных материалов. Внедрение заявленного устройства планируется в химическом производстве при выпуске изделий из полимерных материалов, поролона, минеральной ваты и др.

В настоящее время актуальной является проблема быстрого выбора наиболее качественных образцов упругих материалов из множества, хранящихся совместно (например, на складе), выпущенных по различным технологиям или имеющих различную степень старения. Также актуальна задача экспресс-контроля качества выпускаемых упругих материалов с целью быстрой корректировки технологии их изготовления.

Авторам известно устройство для определения механических характеристик упругих материалов, включающее конический наконечник в виде трех коаксиальных частей, срабатывающих в зависимости от твердости материала, в который внедряется этот наконечник [А.С. СССР №1835501, МПК G 01 N 3/42, опубл. 23.08.93 г. Бюл. №31].

Недостатком такого устройства является то, что оно эффективно для определения твердости древесины и малоэффективно для определения указанных свойств изделий из полимерных материалов, поролона, минеральной ваты.

При использовании устройства определяют только диапазон, в котором находится твердость предмета (в пределах твердости древесины, выше или ниже ее), без оценки твердости внутри этого диапазона.

Исключается комплексная оценка (одним устройством) механической прочности, упругости и пластичности материала.

Авторам известно устройство для оценки механических характеристик упругих материалов, в котором используют два цилиндрических индентора разных диаметров. Твердость материала определяют посредством вдавливания в поверхность изделия с усилием Р сферического или цилиндрического индентора диаметром D с последующим измерением глубины его погружения Н и расчетом модуля упругости Е по известной формуле E=f (P, D, H) [Патент России №2002237, МПК G 01 N 3/00, опубл. 30.10.93 г., Бюл. №39-40].

Недостатком известного устройства является отсутствие возможности комплексной оценки механических характеристик упругих материалов:

- при измерении модуля упругости одновременно не оценивают пластичные характеристики материала, или его механическую прочность.

Кроме того, устройство неудобно в эксплуатации, с его помощью затруднено измерение показателей материала на месте хранения изделий, что усложняет процесс испытаний. В процессе испытаний получают только исходные данные, а модуль упругости определяют косвенным образом: путем расчета, что увеличивает время экспресс-контроля.

В результате из множества образцов материала достоверность выбора высококачественного по всем параметрам образца будет невысокой, а при выпуске материала технология изготовления и выполнения выбраковки некачественных образцов будет скорректирована с разбежкой по времени, что отразится на качестве выпускаемой продукции.

Наиболее близким по технической сущности является устройство для определения пластичности и вязкости упругих материалов, содержащее корпус, внутри которого расположен шток, фиксируемый с помощью пружины, установленный с возможностью его перемещения относительно корпуса и упора, связанный с датчиком перемещения, подающим сигналы микроконтроллеру, подключенному с информационному табло [А.С. СССР №1824536, МПК G 01 N 11/16, опубл. 30.06.1993 г. Бюл. №24]. Данное устройство является стационарным. Обладает низкой мобильностью и портативностью. Трудоемко в эксплуатации. Недостатками известного устройства являются также отсутствие возможности комплексной оценки механических характеристик упругих материалов, в том числе прочности и упругости. В известном устройстве при измерении пластичности воздействуют на испытываемый образец определенных геометрических размеров и по изменению с течением времени этих размеров и усилию рассчитывают пластичность и вязкость образца. При этом требуется дополнительное время на изготовление образца и доставку его к месту исследования. Оценку производят по специальной программе, что увеличивает продолжительность и сложность определения показателей, затрудняет отражение быстротекущей динамики упругих характеристик.

Задачей настоящего изобретения является усовершенствование устройства для быстрой оценки механических характеристик упругих материалов, которое позволит оценивать комплексно (одним устройством) прочность, упругость и пластичность материала, при этом разработанное устройство должно быть малогабаритным, портативным. Позволит быстро и качественно провести испытания свойств материала готовых изделий или образцов в месте хранения или изготовления, без затрат времени на изготовление специального испытываемого образца. За счет указанных свойств устройства сократится время испытания материала, уменьшится трудоемкость процесса испытания, в результате из множества образцов материала быстрее будет выбран высококачественный образец, а при выпуске материала быстрее будет скорректирована технология изготовления и выполнена выбраковка некачественных изделий (образцов), что увеличит качество выпускаемой и отпускаемой продукции.

Задача решается за счет того, что в устройстве для быстрой оценки механических характеристик упругих материалов, содержащем корпус, внутри которого расположен шток, фиксируемый с помощью пружины, с возможностью его перемещения относительно корпуса и упора, связанный с датчиком перемещения, подающим сигнал микроконтроллеру, связанному с информационным табло, согласно изобретению, шток выполнен прямоугольного сечения, снабжен передним и задним ограничителями перемещения, положение штока фиксируется с помощью спускового крючка, стягивающей пружины, на переднем ограничителе перемещения установлен датчик давления, накрытый эластичной полусферой, заполненной воздухом, и связанный с микроконтроллером посредством гибкого кабеля, проходящего внутри штока, последний изготовлен из немагнитного материала с вмонтированными в его верхнюю грань на равном расстоянии друг от друга малогабаритными постоянными магнитами, на нижней грани выполнены стопорные выемки, над штоком расположен магниточувствительный датчик, подающий сигнал микроконтроллеру.

Благодаря использованию датчика давления, установленного на конце штока, при вдавливании последнего в исследуемый материал осуществляют передачу сигнала о приложенном усилии к исследуемому материалу в микроконтроллер, который накапливает данные и отображает их на информационном табло. Заявленное устройство позволит измерить мгновенные значения и скорость изменения усилия (давления), с которым материал сопротивляется вдавливанию в него инородного тела (штока), и на основании этих значений оценить механические характеристики упругого материала.

Исследования проводят на месте хранения или изготовления материала. При этом не требуется прибегать к изготовлению испытываемого образца. Устройство отражает быстротекущую динамику упругих характеристик материала.

Для оценки механической прочности по началу разрушения материала измеряют длину выдвинутой части штока относительно начальной поверхности материала в момент прекращения роста давления при постепенном вдавливании штока в материал. Начальная поверхность фиксируется упором, представляющим собой пластину таких размеров, чтобы при максимально выдвинутом штоке края пластины лежали на неизогнутой поверхности исследуемого образца материала.

Для измерения и индикации на информационном табло длины выдвинутой части штока устройство снабжено микроконтроллером, подсчитывающим количество импульсов от магниточувствительного датчика.

Для сравнительной оценки разных материалов по упругости необходимо фиксировать шток в определенном положении, для этого предназначено фиксирующее устройство из стопорных выемок, спускового крючка, пружины и упора.

Для оценки пластичных свойств материала необходимо измерять скорость движения штока и ее изменение по мере возврата штока в исходное состояние, для этого устройство снабжено микроконтроллером, вычисляющим скорость движения штока по частоте поступления импульсов от магниточувствительного датчика.

Результаты измерений можно наблюдать непосредственно на месте испытаний, для чего предназначено информационное табло, или сохранять эти результаты в памяти микроконтроллера и переносить их затем в компьютер через разъем.

Наличие эластичной, наполненной воздухом, полусферы позволит использовать миниатюрный датчик давления и усреднить давление, оказываемое материалом по всей площади передней плоскости штока, не зависимо от структуры исследуемого материала.

Выполнение штока прямоугольного сечения позволит обеспечить надежную фиксацию штока в выбранном положении и надежное срабатывание магниточувствительного датчика за счет неизменных траекторий движения соответственно стопорных выемок относительно спускового крючка и малогабаритных постоянных магнитов относительно магниточувствительного датчика.

Изготовление штока из немагнитного материала с вмонтированными в его верхнюю грань на равном расстоянии друг от друга малогабаритными постоянными магнитами позволит микроконтроллеру вычислять длину выдвинутой части штока и скорость движения штока - путем подсчета соответственно количества и частоты срабатывания магниточувствительного датчика при движении мимо него малогабаритных постоянных магнитов.

На чертеже представлена конструкция устройства.

Устройство содержит корпус 1 с рукояткой 2 и упорной пластиной 3, внутри корпуса свободно скользит шток 4 прямоугольного сечения с ограничителями перемещения 5, на переднем ограничителе установлен датчик давления 6, накрытый эластичной полусферой 7, заполненной воздухом, электрический сигнал от датчика 6 поступает в корпус 1 к микроконтроллеру 8 по гибкому кабелю, проходящему внутри штока 4. Шток прямоугольного сечения изготовлен из немагнитного материала, и в его верхнюю грань вмонтированы на одинаковом расстоянии друг от друга малогабаритные постоянные магниты 9, а нижняя грань имеет стопорные выемки 10. Положение штока 4 фиксируется с помощью спускового крючка 11, вращающегося вокруг оси 12, стягивающей пружины 13 и упора 14; при нажатии на крючок 11 происходит перемещение штока 4 под воздействием исследуемого материала 15. В корпусе 1 над штоком 4 расположен магниточувствительный датчик 16, сигнал с которого обрабатывается расположенным в корпусе 1 микроконтроллером и отображается на информационном табло 17, а также может быть считан из микроконтроллера 8 в подключаемый через разъем 18 компьютер. Питание на устройство подается с помощью выключателя 19, сброс, выбор индицируемого параметра и запись результатов измерений в микроконтроллер производится кнопками 20.

Использование изобретения позволит определить механические характеристики материалов практически в любых условиях с высокой точностью и большой производительностью.

Устройство работает следующим образом.

Быстрая оценка механических характеристик упругих материалов производится в следующей последовательности.

При оценке механической прочности материала устройство прикладывают упорной пластиной 3 к исследуемому образцу упругого материала (например, поролон) 15, шток 4 находится в исходном положении - датчик давления 6 возле корпуса. Шток 4 постепенно вдавливают в материал 15. При этом растущее давление, фиксируемое датчиком давления, отображается микроконтроллером 8 на информационном табло 17. Одновременно микроконтроллер 8 вычисляет и одновременно отображает на информационном табло 17 длину выдвинутой части штока 4 путем подсчета импульсов от магниточувствительного датчика 16. В некоторый момент давление перестает расти из-за разрушения материала. Показываемая при этом на табло 17 длина выдвинутой части штока 4 характеризует механическую прочность материала. Наиболее прочный образец выбирают по максимальной длине выдвинутой части штока.

После оценки прочности материала приступают к оценке упругости материала. Для чего шток 4 из погруженного состояния в материал возвращают в исходное состояние, снова вдавливают его в материал 15 в новом месте до упорной пластины 3 и удерживают в таком положении. Показываемое при этом на информационном табло 17 давление характеризует упругость материала. Наиболее упругий образец выбирается по максимальному значению давления.

При оценке пластичных свойств материала удерживают шток 4 во вдавленном состоянии. Нажимают на спусковой крючок 11, при этом шток 4 возвращают в исходное положение под действием силы упругости материала 15, мгновенные значения давления, а также соответствующие положения штока 4 и мгновенные значения скорости его движения, фиксируемые микроконтроллером 8 путем подсчета импульсов от магниточувствительного датчика 16, заносятся в память микроконтроллера 8. После уменьшения давления до минимальных значений на табло 17 наблюдают время возвратного движения штока 4 и остаточную необратимую деформацию, определяемую по оставшейся выдвинутой части штока 4, которые характеризуют пластичные свойства материала. Лучший образец с минимальной пластичностью выбирают по минимальным значениям времени возврата и остаточной деформации. Далее, при необходимости более детальной оценки, результаты измерений сохраняют в микроконтроллере с помощью кнопок 20, через разъем подключают устройство к компьютеру, переносят в него сохраненные данные и наблюдают график изменения скорости движения штока за время возврата.

Таким образом, предлагаемое устройство позволит обеспечить простоту измерения, мобильность и комплексность исследования упругопластичных материалов, которые необходимы для качественной оценки материала в лабораторных и производственных условиях.

Устройство для быстрой оценки механических характеристик упругих материалов, содержащее корпус, внутри которого расположен шток, фиксируемый с помощью пружины, установленный с возможностью перемещения относительно корпуса и упора, соединенный с датчиком перемещения, подающий сигнал микроконтроллеру, связанному с информационным табло, отличающийся тем, что шток выполнен прямоугольного сечения, снабжен передним и задним ограничителями перемещения, положение штока фиксируется с помощью спускового крючка и стягивающей пружины, на переднем ограничителе перемещения установлен датчик давления, накрытый эластичной полусферой, заполненной воздухом, и связанный с микроконтроллером посредством гибкого кабеля, проходящего внутри штока, последний изготовлен из немагнитного материала с вмонтированными в его верхнюю грань на равном расстоянии друг от друга малогабаритными постоянными магнитами, на нижней грани штока выполнены стопорные выемки, над штоком расположен магниточувствительный датчик, подающий сигнал микроконтроллеру.