Машина для испытания образцов на растяжение

Изобретение относится к испытательной технике, а именно к машинам для испытания образцов на растяжение. Техническим результатом является повышение достоверности результатов испытаний за счет исключения неучтенных напряжений в образце и уменьшение массо-габаритных характеристик машины. Машина содержит силовую раму, выполненную в виде основания, верхней неподвижной траверсы, направляющих колонн, ходовых винтов. Ходовые винты связаны с подвижной траверсой через гайки, установленные неподвижно в траверсе. На основании установлен датчик силы, с которым через тягу связан неподвижный захват. Подвижный захват через тягу связан с подвижной траверсой. В тягу одного из захватов (например, верхнюю) встроен узел шарнира, ось вращения которого совпадает с продольной осью образца, поэтому захват может свободно поворачиваться в процессе испытания вокруг оси. Шарнир может быть встроен непосредственно в захват. Наличие шарнира в цепочке «захваты-образец» позволяет устранить возможность возникновения в образце неучтенных касательных напряжений от скручивания. Ходовые винты выполнены с противоположным направлением нарезки и кинематически связаны таким образом, чтобы обеспечивать противоположное направление вращения. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Изобретение относится к испытательной технике, а именно к машинам для испытания образцов на растяжение.

Известны испытательные машины, обеспечивающие испытание образцов на растяжение с жесткой фиксацией испытываемого образца (см. Голубков B.C., Пирогов К.М., Смушкович Б.Л. Испытательные машины в текстильном материаловедении. - М.: Легпромбытиздат, 1988, с.205, с.22-23).

Недостатком указанных машин является повышенная чувствительность к перекосам образца при установке в захваты и связанная с ней возможность возникновения внецентренного приложения нагрузки, и соответственно неучтенных дополнительных нормальных напряжений в образце.

Наиболее близкой по технической сути к заявляемой машине является выбранная в качестве прототипа разрывная машина ИР 5143-200, содержащая силовую раму, выполненную в виде основания, закрепленных на нем колонн, соединенных с неподвижной траверсой, подвижную траверсу с механизмом ее перемещения, выполненным в виде ходовых винтов, установленных в раме, привода их вращения и ходовых гаек, неподвижно закрепленных на подвижной траверсе, захваты для закрепления образца, один из которых соединен с подвижной траверсой, а другой с силовой рамой, причем связь одного из захватов осуществляется через двойной шарнир так, что обеспечивается самоустанавливаемость захвата в вертикальной плоскости (см. Машины разрывные ИР 5143-200-10 и ИР 5143-200-11. Проспект ОАО «Точприбор», г.Иваново, 2001. Браун Э.Д., Горбунов В.Н., Смушкович Б.Л. Методы и оборудование для прогнозирования фрикционно-износных характеристик узлов трения продукции тяжелого машиностроения // Тяжелое машиностроение (журнал), 2001, №4, с.18).

Вследствие самоустанавливаемости захвата в известной машине устраняется возможность возникновения неучтенных нормальных напряжений. Но ее недостатком является принципиальная возможность возникновения неучтенных касательных напряжений в сечении образца, что также может привести к искажению результатов испытаний.

Задачей изобретения является повышение достоверности результатов испытаний за счет исключения неучтенных напряжений в образце и уменьшение массо-габаритных характеристик машины.

Указанная цель достигается тем, что машина для испытания образцов на растяжение, содержащая силовую раму, выполненную в виде основания, закрепленных на нем колонн, соединенных с неподвижной траверсой, подвижную траверсу с механизмом ее перемещения, выполненным в виде ходовых винтов, установленных в раме, привода их вращения и ходовых гаек, неподвижно закрепленных на подвижной траверсе, захваты для закрепления образца, один из которых соединен с подвижной траверсой, а другой с силовой рамой, при этом один из захватов установлен с возможностью поворота в процессе испытания вокруг оси, совпадающей с продольной осью образца, а ходовые винты выполнены с противоположным направлением нарезки и противоположным направлением вращения от привода.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемая машина отличается тем, что один из захватов установлен с возможностью поворота в процессе испытания вокруг оси, совпадающей с продольной осью образца, а ходовые винты выполнены с противоположным направлением нарезки и противоположным направлением вращения от привода.

На фиг.1 изображена схема предлагаемой машины; на фиг.2 (А-А) - схема действия моментов; на фиг.3 (а, б, в) - варианты выполнения узла шарнира в предлагаемой машине.

Машина (фиг.1) содержит силовую раму, выполненную в виде основания 1, верхней неподвижной траверсы 2, направляющих колонн 3, ходовых винтов 4. Ходовые винты связаны с подвижной траверсой 5 через установленные в ней гайки 6. На основании 1 установлен датчик силы 7, с которым через тягу 8 связан неподвижный захват 9. Подвижный захват 10 через тягу 11 связан с подвижной траверсой 5. В захватах 9 и 10 закрепляется испытываемый образец 12.

На подвижную траверсу 5 (фиг.2) в горизонтальном сечении действует крутящий момент М_т, равный алгебраической сумме моментов трения в гайках 6 ходовых винтов 4, т.е. М_т=M₁+М₂ при одинаковом направлении вращения винтов и М_т=M₁-М₂ при противоположном направлении вращения винтов.

На фиг.2 направления моментов М_т и М_р показаны условно для случая M₂>M₁.

Этот крутящий момент воспринимается силовой рамой разрывной машины (основание 1, неподвижная траверса 2, колонны 3, ходовые винты 4) и цепочкой «захваты 9 и 10 - образец 12».

Если жесткость на кручение (отношение крутящего момента к угловой деформации) силовой рамы равна c_р, а цепочки - c_о, то из условия совместимости деформации кручения найдем

Момент кручения на образце

Момент кручения на раме

В зависимости от соотношения c_р/c_о имеем

0≤М_о≤М_т и 0≤М_р≤М_т, причем М_о+М_р=М_т

Таким образом, в общем случае момент трения в винтовых парах нагружает не только силовую раму, но и испытываемый образец, создавая в нем неучтенные касательные напряжения и искажая одноосное напряженное состояние.

Как видно из формулы, момент на образце М_о можно уменьшить тремя способами:

1. Снизить величину момента на подвижной траверсе М_т. Поскольку направление момента трения на гайке ходового винта совпадает с направлением его вращения n, то в случае противоположного направления вращения винтов М_т=M₁-М₂ (при этом направление резьбы на винтах также должно быть противоположным).

2. Увеличить жесткость c_р силовой рамы. Но это влечет за собой увеличение массо-габаритных характеристик машины.

3. Уменьшить жесткость c_о цепочки «захваты-образец». Этого можно достигнуть введением в цепочку шарнира, ось вращения которого совпадает с продольной осью образца, вокруг которой он может свободно поворачиваться в процессе испытаний.

В тягу одного из захватов (например, верхнюю 11) встроен узел шарнира 13, который может быть выполнен в различных вариантах.

Вариант 1 - фрикционный шарнир (фиг.3а).

Тяга 11 состоит из двух полутяг, верхней и нижней. Нижняя полутяга соединяется с верхней полутягой через опорный подшипник 14 и стакан 15, который является направляющим и не ограничивающим осносительное перемещение полутяг. В стакане 15 установлена пружина 16. Опорный подшипник 14 может быть качения или скольжения.

Вариант 2 - упругий шарнир (фиг.3б, в).

Тяга 11 также состоит из двух полутяг, которые соединены пластинчатым торсионом 17, выполненным с малой крутильной и большой осевой жесткостью. Втулка 18 служит направляющей для полутяг 11.

Угол поворота шарнира может быть ограничен.

Возможны и другие варианты исполнения узла шарнира, отвечающие требованию не ограничивать возможность поворота захвата в процессе испытания вокруг оси, совпадающей с продольной осью образца, в т.ч. шарнир может быть встроен непосредственно в захват.

Ходовые винты 4 (фиг.1) выполнены с противоположным направлением нарезки и кинематически связаны таким образом (например, через червячные редуктора или перекрещивающуюся ременную передачу, на фиг.1 не показаны), чтобы обеспечивать противоположное направление вращения. Возможным вариантом является также индивидуальный привод каждого винта от своего электродвигателя.

Машина работает следующим образом.

Образец 12 устанавливается в захваты 9 и 10 машины (фиг.1). При этом наличие шарнира 13 позволяет компенсировать некоторую пропеллерность плоских образцов, так как ось вращения шарнира совпадает с продольной осью образца, вокруг которой он может свободно поворачиваться. Этим устраняется возможность возникновения в образце неучтенных касательных напряжений от скручивания. При необходимости шарнир может быть арретирован (выключен) во время закрепления образца в захватах.

При движении траверсы 5 (скорость v_o) образец 12 растягивается. Поскольку ходовые винты 4 вращаются в противоположном направлении, суммарный момент на траверсе минимален и равен М_т=M₁-М₂.

Наличие шарнира 13 снижает жесткость на кручение с_o цепочки «захваты-образец» до величины, стремящейся к нулю или существенно меньшей жесткости c_р силовой рамы, благодаря чему крутящий момент практически не передается на образец и не создает в нем неучтенных касательных напряжений.

1. Машина для испытания образцов на растяжение, содержащая силовую раму, выполненную в виде основания, закрепленных на нем колонн, соединенных с неподвижной траверсой, подвижную траверсу с механизмом ее перемещения, выполненным в виде ходовых винтов, установленных в раме, привода их вращения и ходовых гаек, неподвижно закрепленных на подвижной траверсе, датчик силы, установленный на основании, с которым через тягу связан неподвижный захват, и подвижный захват, связанный через тягу с подвижной траверсой, отличающаяся тем, что один из захватов установлен с возможностью поворота в процессе испытания вокруг оси, совпадающей с продольной осью образца.

2. Машина по п.1, отличающаяся тем, что ходовые винты выполнены с противоположным направлением нарезки и противоположным направлением вращения от привода.