Способ определения энергии пробивания образца материала и устройство для его осуществления

Изобретение относится к области исследования свойств материалов. Сущность: производят замер параметров процесса пробивания образца материала, установленного в обойме, ударником. Образец устанавливают в обойме с возможностью перемещения ее по направляющим. Ударник разгоняют в направлении образца до скорости пробивания материала навылет и попадания в подвижный улавливатель. Замеряют скорость ударника до момента взаимодействия с образцом, скорость обоймы после пробивания и окончания переходного процесса, скорость улавливателя после улавливания ударника и продуктов пробивания и окончания переходного процесса. Энергию, затраченную на пробивание, определяют по формуле. Устройство содержит корпус, обойму с образцом материала, ударник и улавливатель. Обойма и улавливатель выполнены в виде инерционных тел массой, равной 1000-1500 масс ударника, и установлены подвижно относительно корпуса устройства на направляющих так, что в каждом теле одна из главных центральных осей инерции совпадает с траекторией движения ударника до момента начала пробивания. Устройство также содержит устройства измерения скоростей ударника, обоймы и улавливателя. Технический результат: упрощение измерения параметров процесса пробивания, повышение точности результатов при любых видах разрушения материала. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к области исследования свойств материалов, а именно к способу определения энергетической характеристики пробивания образца материала и устройству для этих целей.

Наиболее близким к предлагаемому является способ определения энергии пробивания образца материала, заключающийся в замере параметров процесса пробивания образца материала, установленного в обойме ударником (см. Авторское свид. №1153265, опубл. 30.04.85 в бюл. №16).

Недостатком его является сложность замера скоростей выбиваемой пробки, ограничительные условия на испытываемый материал, его свойства, низкая точность получаемых результатов.

Изобретением решается задача - расширение возможностей способа, упрощение измерения параметров процесса пробивания, повышение точности результатов при любых видах разрушения материала, в том числе при образовании осколков.

Для достижения названных задач в предлагаемом способе определение энергии пробивания образца материала осуществляют путем замера параметров процесса пробивания образца материала, установленного в обойме ударником, причем образец устанавливают в обойме с возможностью перемещения ее по направляющим, ударник разгоняют в направлении образца до скорости пробивания материала навылет и попадания в подвижный улавливатель, при этом замеряют скорость ударника до момента взаимодействия с образцом, скорость обоймы после пробивания и окончания переходного процесса, скорость улавливателя после улавливания ударника и продуктов пробивания и окончания переходного процесса, а энергию, затраченную на пробивание, определяют по формуле

где

m_p - масса ударника;

v_p0 - скорость ударника до момента взаимодействия с образцом;

M₁ - масса обоймы;

М₂ - масса улавливателя;

v₁ - скорость обоймы после пробивания;

v₂ - скорость улавливателя после улавливания ударника и продуктов пробивания;

m_t1 - масса образца после пробивания;

m_tp - масса продуктов пробивания.

Отличительные признаки предлагаемого способа заключаются в установке образца в обойме с возможностью перемещения ее по направляющим, причем ударник разгоняют в направлении образца до скорости пробивания материала навылет и попадания в подвижный улавливатель, при этом замеряют скорость ударника до момента взаимодействия с образцом, скорость обоймы после пробивания и окончания переходного процесса, скорость улавливателя после улавливания ударника и продуктов пробивания и окончания переходного процесса, а энергию, затраченную на пробивание, определяют по формуле

где

m_p - масса ударника;

v_p0 - скорость ударника до момента взаимодействия с образцом;

M₁ - масса обоймы;

М₂ - масса улавливателя;

v₁ - скорость обоймы после пробивания;

v₂ - скорость улавливателя после улавливания ударника и продуктов пробивания;

m_t1 - масса образца после пробивания;

m_tp - масса продуктов пробивания.

В этом же авторском свидетельстве описано наиболее близкое к предлагаемому техническое решение устройства для осуществления способа определения энергии пробивания образца материала, содержащее корпус, обойму с образцом материала, ударник и улавливатель (см. Авторское свид. №1153265, опубл. 30.04.85 в бюл. №16).

Недостатком его является сложность замера скоростей выбиваемой пробки, ограничительные условия на испытываемый материал, его свойства, низкая точность получаемых результатов при образовании осколков материала образца.

Изобретением решается задача - расширение технологических возможностей, упрощение устройства, повышение точности результатов при любых видах разрушения, в том числе при образовании осколков образца.

Для достижения названного технического результата предлагается устройство, которое содержит корпус, обойму с образцом материала, ударник и улавливатель, при этом обойма и улавливатель выполнены в виде инерционных тел массой, равной 1000-1500 масс ударника, и установлены подвижно относительно корпуса устройства на направляющих так, что в каждом теле одна из главных центральных осей инерции совпадает с траекторией движения ударника до момента начала пробивания, кроме того, обойма и улавливатель снабжены втулками из материала с низким коэффициентом трения, например фторопластовыми, установленными между ними и направляющими и демпфирующими устройствами, цилиндры которых жестко связаны с корпусом, а концы штоков отстоят от обоймы и улавливателя на расстоянии 5-15 мм, устройство может быть снабжено телами качения, установленными между направляющими и инерционными телами.

В отличие от известного в предлагаемом устройстве обойма и улавливатель выполнены в виде нерционных тел массой, равной 1000-1500 масс ударника, и установлены подвижно относительно корпуса устройства на направляющих так, что в каждом теле одна из главных центральных осей инерции совпадает с траекторией движения ударника до момента начала пробивания, при этом обойма и улавливатель снабжены втулками из материала с низким коэффициентом трения, например фторопластовыми, установленными между ними и направляющими и демпфирующими устройствами, цилиндры которых жестко связаны с корпусом, а концы штоков отстоят от обоймы и улавливателя на расстоянии 5-15 мм, кроме того, устройство может быть снабжено телами качения, установленными между направляющими и инерционными телами.

Предлагаемый способ определения энергии пробивания образца материала и устройство для осуществления этого иллюстрируется чертежом, где изображена схема устройства.

Устройство содержит корпус 1, выполненный, например, в виде цилиндра, снабженного дисковыми фланцами по торцам и установленного на массивном основании, обойму 2 с образцом 3 материала, ударник 4 и улавливатель 5. Обойма 2 и улавливатель 5 выполнены в виде инерционных тел массой, равной 1000-1500 масс ударника 4, и установлены подвижно относительно корпуса 1 устройства на направляющих 6 так, что главные центральные оси инерции J_x1, J_х2 этих тел совпадают и с траекторией движения ударника 4 до момента начала пробивания. Это позволяет исключить образование моментов сил, действующих на образец 3 и обойму 2 в начальный момент пробивания образца материала, и угловых колебаний обоймы 2 относительно главных центральных осей инерции после пробивания образца 3 материала, а также снизить угловые колебания улавливателя 5 после улавливания ударника 4. Обойма 2 и улавливатель 5 снабжены втулками 7 из материала с низким коэффициентом трения, например фторопластовыми, установленными между ними и направляющими 6, снижающими потери энергии в системе и демпфирующими устройствами 8, 9, например, гидравлическими, цилиндры которых жестко связаны с корпусом 1, а концы штоков отстоят от обоймы 2 и улавливателя 5 на расстоянии 5-15 мм. Снабжение демпфирующими устройствами позволяет увеличить надежность и долговечность устройства для осуществления способа определения энергии пробивания образца материала при длительной эксплуатации и высоких динамических нагрузках на элементы устройства. Устройство может быть снабжено телами качения (не показаны), установленными между направляющими 6 и инерционными телами (обоймы 2 и улавливателя 5). Возможна установка обоймы 2 и улавливателя 5 с использованием тел качения, например, на тележке, которая на колесиках движется по направляющим 6, при этом колесики могут быть установлены на осях тележки с помощью подшипников.

Разгон ударника осуществляется с помощью пушки 10, например, газовой. Устройство снабжено отсекателем 11 для отделения поддона 12 от тела ударника 4. Скорость обоймы 2 измеряются индуктивным датчиком 13, сердечник которого связан с обоймой, а обмотка расположена на корпусе 1. Скорость улавливателя 5 измеряется индуктивным датчиком 14, сердечник которого связан с улавливателем 5, а обмотка расположена на корпусе 1. Кроме того, улавливатель 5 снабжен демпфирующим материалом 15, например смола, гель, и т.п., расположенным в области попадания осколков образца 3 и ударника 4 в улавливатель 5. Поскольку обойма 2 и улавливатель 5 выполнены массивными, а именно их масса равна 1000-1500 масс ударника 4, то скорости обоймы 2 и улавливателя 5 существенно меньше скорости ударника 4, и замеры скоростей инерционных тел не представляют технической трудности и могут быть измерены с большой точностью, что увеличивает точность измерения энергии пробивания образца в широком диапазоне характеристик материала.

Предлагаемый способ осуществляется следующим образом.

Образец 3 материала закрепляют в обойме 2. Ударник 4 вылетает из ствола газовой пушки 10 со скоростью от нескольких десятков до тысячи метров в секунду и ударяется в образец 3 материала.

Скорость ударника 4 измеряется до соударения, например, методом "фотофиниша" с помощью двух фотоэлементов в канале ствола пушки 10. Обойма 2 свободно скользит по горизонтальным направляющим 6 с минимальным трением, поскольку между обоймой 2 и направляющими 6 установлены фторопластовые втулки 7.

После пробивания образца 3 материала ударник 4 и продукты пробивания попадают в улавливатель 5, который также может свободно скользить по горизонтальным направляющим 6 с минимальным трением, поскольку между ними и улавливателем установлены фторопластовые втулки 7. Скорости обоймы 2 и улавливателя 5 измеряются индуктивными датчиками 13, 14. Скорости обоймы 2 и улавливателя 5 гасятся демпфирующими устройствами 8, 9. Замеряют скорость обоймы 2 после пробивания образца 3 и окончания переходного процесса, а скорость улавливателя 5 замеряют после улавливания ударника 4 и продуктов пробивания и окончания переходного процесса, а энергию, затраченную на пробивание, определяют по формуле

где

m_p - масса ударника;

v_p0 - скорость ударника до момента взаимодействия с образцом;

M₁ - масса обоймы;

М₂ - масса улавливателя;

v₁ - скорость обоймы после пробивания;

v₂ - скорость улавливателя после улавливания ударника и продуктов пробивания;

m_t1 - масса образца после пробивания;

m_tp - масса продуктов пробивания;

Пример. Определялась энергия пробивания образца материала дуралюмин Д16.

Из исследуемого материала приготовлен образец в виде цилиндрической пластины размерами 5×50 мм. Образец массой 27.00·10^-3 кг помещен в обойму 2.

Произведено пробивание образца ударником, движущимся со скоростью 500 м/с. Масса ударника m_p=5.0·10^-3 кг.

При этом произведены замеры скорости обоймы через 5.0·10^-4 сек после пробивания и скорости улавливателя через 5.0·10^-4 сек после улавливания.

Масса обоймы М₁=10 кг

Масса улавливателя М₂=10 кг

Масса продуктов пробивания - m_tp=0.27·10^-3 кг

Масса образца материала после пробивания m_t1=26.73·10^-3 кг

Скорость первой инерционной массы (обоймы) v₁=2.3·10^-3 м/c

Скорость второй инерционной массы (улавливателя) v₂=247.6·10^-3 м/с

Затем по формуле

определена энергию пробивания образца материала

Е_t=43 Дж

Испытания опытного образца устройства показала на надежность и простоту конструкции и на обеспечение точности определения энергии пробивания.

1. Способ определения энергии пробивания образца материала, заключающийся в замере параметров процесса пробивания образца материала, установленного в обойме, ударником, отличающийся тем, что образец устанавливают в обойме с возможностью перемещения ее по направляющим, ударник разгоняют в направлении образца до скорости пробивания материала навылет и попадания в подвижный улавливатель, при этом замеряют скорость ударника до момента взаимодействия с образцом, скорость обоймы после пробивания и окончания переходного процесса, скорость улавливателя после улавливания ударника и продуктов пробивания и окончания переходного процесса, а энергию, затраченную на пробивание, определяют по формуле:

где
m_p - масса ударника;
v_p0 - скорость ударника до момента взаимодействия с образцом;
M₁ - масса обоймы;
М₂ - масса улавливателя;
v₁ - скорость обоймы после пробивания;
v₂ - скорость улавливателя после улавливания ударника и продуктов пробивания;
m_t1 - масса образца после пробивания;
m_tp - масса продуктов пробивания.

2. Устройство для осуществления способа определения энергии пробивания образца материала, содержащее корпус, обойму с образцом материала, ударник и улавливатель, отличающееся тем, что обойма и улавливатель выполнены в виде инерционных тел массой, равной 1000-1500 масс ударника, и установлены подвижно относительно корпуса устройства на направляющих так, что в каждом теле одна из главных центральных осей инерции совпадает с траекторией движения ударника до момента начала пробивания, а также содержит устройства измерения скоростей ударника, обоймы и улавливателя.

3. Устройство для осуществления способа определения энергии пробивания образца материала по п.2, отличающееся тем, что обойма и улавливатель снабжены втулками из материала с низким коэффициентом трения, например фторопластовыми, установленными между ними и направляющими.

4. Устройство для осуществления способа определения энергии пробивания образца материала по п.2, отличающееся тем, что оно снабжено демпфирующими устройствами, цилиндры которых жестко связаны с корпусом, а концы штоков отстоят от обоймы и улавливателя на расстоянии 5-15 мм.

5. Устройство для осуществления способа определения энергии пробивания образца материала по п.2, отличающееся тем, что оно снабжено телами качения, установленными между направляющими и инерционными телами.