Способ динамических испытаний винтовых пружин сжатия и устройство для его осуществления

Группа изобретений относится к испытательной технике и может применяться в составе динамических стендов для испытаний винтовых пружин сжатия. Способ включает в себя одевание испытываемой пружины на направляющий стержень, являющийся подвижной частью устройства для динамических испытаний винтовых пружин сжатия, обеспечивая сопряжение задней поверхности испытываемой пружины и расширение направляющего стержня. Стержень с испытываемой пружиной устанавливают в направляющую втулку, являющуюся неподвижной частью устройства для динамических испытаний винтовых пружин сжатия, обеспечивая сопряжение передней поверхности испытываемой пружины и торца направляющей втулки, приводят направляющий стержень в соприкосновение с ударным элементом привода нагружения, устанавливают высоту предварительного поджатия, включают привод нагружения устройства и проводят испытание пружины. Указанный способ реализует соответствующее устройство. Технический результат: возможность реализация динамического нагружения испытываемой пружины с крутым передним фронтом, возможность управления амплитудой испытаний, управления законом изменения скорости перемещения подвижной части. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Группа изобретений относится к испытательной технике, а именно, к способам и устройствам для испытаний конструкций на вибрацию и может применяться в составе динамическим стендов для испытаний винтовых пружин сжатия.

Из уровня техники известен стенд для ударных испытаний и способ его применения (SU 1348686 A1, МПК G01M 7/00, опубл. 30.10.1987). Стенд содержит ударяемую с наковальней платформу, на которой установлена пневматическая камера с отверстием, перекрытым разрушаемым специальным устройством диафрагмой. Над отверстием камеры расположен стол для установки испытуемого изделия. Ударный импульс формируется при соударении платформы с наковальней, а затухающие колебания ствола с изделием возбуждаются ударной волной, образующейся при разрушении диафрагмы. Использование в стенде съемных волновода и приемника ударной волны расширяет возможность регулирования воспроизводимых нагрузок. Способ применения стенда подразумевает изменение величины начального давления в пневматической камере, за счет чего регулируют интенсивность формируемой ударной волны, а используя съемные волноводы и приемник ударной волны, изменяют параметры импульса, возбуждающего колебания стола.

Недостатком стенда является его конструктивная сложность, возможность его применения для испытаний изделий, подвергаемых в процессе эксплуатации ударным нагрузкам с малой величиной деформации самой детали. Исключена также возможность контроля фазы восстановления деформированной предварительно испытуемой детали.

Наиболее близким к заявленному изобретению и выбранным в качестве прототипа признан стенд для динамических испытаний пружин сжатия и способ его применения (RU 2138794 C1, МПК G01M 17/04, опубл. 27.09.1999). Стенд содержит основание, пневматическое разгонно-тормозное устройство, включающее цилиндр, спереди и сзади закрытый фланцами, размещенный в центре поршень, снабженный штоком и разделяющий полость цилиндра на поршневую и штоковую камеры, соединенные между собой, устройство возврата поршня в исходное положение, концентрично расположенный относительно поршня ресивер, подключенный к магистрали сжатого воздуха. Способ применения стенда подразумевает осуществление циклического нагружения цилиндрической пружины надетой на шток с помощью сжатого воздуха.

Недостатком известного технического решения является ограниченная возможность регулирования амплитуды испытаний пружин, относительная сложность управления процессом испытания, а также отсутствие в конструкции стенда элементов автоматики, позволяющих осуществлять количество циклов нагружения.

Технической задачей, на решение которой направлена заявленная группа изобретений, является повышение точности воспроизведения динамической нагрузки с крутым передним фронтом, действующей на испытуемое изделие - пружину сжатия в фазах ее сжатия.

Указанная задача решена тем, что способ динамических испытаний винтовых пружин, включает в себя одевание испытываемой пружины на направляющий стержень, являющийся подвижной частью устройства для динамических испытаний винтовых пружин сжатия, обеспечивая сопряжение задней поверхности испытываемой пружины и расширения направляющего стержня. Отличает способ от известных аналогов то, что стержень с испытываемой пружиной устанавливают в направляющую втулку, являющуюся неподвижной частью устройства для динамических испытаний винтовых пружин сжатия, обеспечивая сопряжение передней поверхности испытываемой пружины и торца направляющей втулки, приводят направляющий стержень в соприкосновение с ударным элементом привода нагружения, устанавливают высоту предварительного поджатая, включают привод нагружения устройства и проводят испытание пружины.

Устройство для осуществления способа содержит направляющую втулку, закрепленную в удерживающем приспособлении испытательного оборудования, направляющий стержень, с надетой испытываемой пружиной, установленный в осевом отверстии направляющей втулки. Отличает устройство от известных аналогов то, что в осевом отверстии со стороны установки направляющего стержня выполнено углубление, высотой равной рабочей высоте пружины, на опорной поверхности которого закреплен тензометрический датчик, устройство дополнительно содержит ударный элемент привода нагружения с импульсным периодическим законом нагружения, выполненный в виде пневматического разгонно-тормозного устройства. При этом выход тензометрического датчика подключен к измерительному входу блока управления, выполненного на основе микроконтроллера и снабженного модулем индикации и кнопочной клавиатурой, силовой выход которого подключен к приводу нагружения.

Положительным техническим результатом, обеспечиваемым раскрытыми выше признаками способа и устройства для его осуществления, является возможность реализация динамического нагружения испытываемой пружины с крутым передним фронтом, возможность управления амплитудой испытаний, управления законом изменения скорости перемещения подвижной части устройства и увеличения частоты испытаний для получения результатов испытаний в приемлемый срок с заданной точностью.

Группа изобретений поясняется чертежом, где на фигуре изображен эскиз устройства для осуществления способа динамических испытаний винтовых пружин сжатия.

Устройство, с помощью которого осуществляют способ динамических испытаний винтовых пружин сжатия, имеет следующую конструкцию.

Его основой является направляющая втулка 1, закрепленная в удерживающем приспособлении 2 испытательного оборудования, направляющий стержень 3, с надетой испытываемой пружиной 4, установленный в осевом отверстии 5 направляющей втулки 1. Отличает устройство от известных аналогов то, что в осевом отверстии 5 со стороны установки направляющего стержня 3 выполнено углубление 6, высотой L₂ равной рабочей высоте пружины 4, на опорной поверхности которого закреплен тензометрический датчик 7. Устройство дополнительно содержит ударный элемент 8 привода нагружения 9 с импульсным периодическим законом нагружения, выполненный в виде пневматического разгонно-тормозного устройства. При этом выход тензометрического датчика 7 подключен к измерительному входу 10 блока управления 11, выполненного на основе микроконтроллера и снабженного модулем индикации 12 и кнопочной клавиатурой 13, силовой выход 14 которого подключен к приводу нагружения 9. В качестве микроконтроллера может быть использована любая известная микросхема, например восьмиразрядный микроконтроллер серии AVR ATMega, снабженный восьмиканальным десятиразрядный аналого-цифровым преобразователем. Измерительный вход блока управления может быть построен на основе операционного усилителя, силовой выход может быть реализован на основе транзисторных или тиристорных ключей, а модуль индикации может представлять собой текстовый LCD-индикатор.

Способ с помощью устройства осуществляют следующим образом.

Испытываемая пружина 4 одевается на направляющий стержень 3, который устанавливается в отверстие 5 направляющей втулки 1. Направляющая втулка закрепляется в удерживающем приспособлении 2 испытательного оборудования, в качестве которого может быть использован, например, трехкулачковый патрон токарного станка. Привод нагружения 9 закрепляется соосно направляющей втулке 1 в удерживающем приспособлении испытательного оборудования, например в резцедержателе токарного станка, с использованием державки. Ударным элементом 8 привода нагружения 9 направляющий стержень 3 поджимается в размер L₁, соответствующий высоте предварительного поджатая испытываемой пружины, при этом пружина упирается в опорную поверхность углубления 6. Далее выход тензометрического датчика 7 подключают к измерительному входу 10 блока управления 11, а его силовой выход подключают к приводу нагружения 9, после чего подавая команды блоку управления с помощью клавиатуры 13, начинают испытание.

При подаче управляющих сигналов на привод нагружения 9, посредством силового выхода 14 на основе управляющей программы микроконтроллера, ударный элемент 8 импульсно воздействует на направляющий стержень 3. Последний за счет сил инерции сжимает испытываемую пружину 4 до ударного взаимодействия поверхностей направляющего стержня 3 и втулки 1 или до его остановки вследствие исчерпания кинетической энергии. Затем направляющий стержень 3 под действием сжатой испытываемой пружины 4 возвращается в исходное положение. Испытание повторяют предварительно заданное с помощью клавиатуры число раз, при этом блок управления 11 проводит постоянный опрос тензометрического датчика 7 и сохраняет полученные данные в энергонезависимой памяти для их дальнейшей обработки с целью анализа эффективности упрочнения пружин, в зависимости от силы и частоты прикладываемой нагрузки.

Ниже приведен пример осуществления способа.

Предлагаемый способ осуществлялся при испытаниях возвратной пружины со следующими характеристиками:

- диаметр проволоки - 1.1 мм;

- наружный диаметр пружины - 11.2 мм;

- длина пружины в свободном состоянии - 128 мм;

- сила пружины при предварительной деформации - 36 Н;

- длина пружины при предварительной деформации - 71 мм;

- сила пружины при рабочей деформации - 65 Н;

- длина пружины при рабочей деформации - 29 мм;

В качестве испытательного оборудования применялся токарный станок ФТ-11. В качестве привода нагружения использован перфоратор с частотой нагружения 3000 уд/мин и передаваемым импульсом от 1 до 4 Дж. Масса направляющего стержня составляла 0,03 кг.

В результате испытаний были получены следующие скорости перемещения:

- 0,030 кг/Дж - ускорение до 7 м/с, амплитуда менее рабочего хода;

- 0,080 кг/Дж - ускорение до 7 м/с, амплитуда соответствует рабочему ходу, ударное взаимодействие направляющего стержня и направляющей втулки;

- 0,320 кг/Дж - ускорение до 2.5 м/с, амплитуда менее рабочего хода.

Таким образом, при различных сочетаниях параметров испытания, а именно передаваемого ударным элементом импульса, силовых и геометрических параметров пружины, массы направляющего стержня и геометрии направляющей втулки, могут быть имитированы различные режимы ударных взаимодействий поверхностей направляющего стержня, направляющей втулки и боковых поверхностей витков испытываемой пружины. Рассмотренное в настоящей заявке техническое решение может применяться как при производстве цилиндрических пружин сжатия, так и в научных исследованиях, а именно при проведении управляемых экспериментов для поиска наиболее эффективных параметров технологических процессов упрочнения пружин.

1. Способ динамических испытаний винтовых пружин, включающий одевание испытываемой пружины на направляющий стержень, являющийся подвижной частью устройства для динамических испытаний винтовых пружин сжатия, обеспечивая сопряжение задней поверхности испытываемой пружины и расширение направляющего стержня, отличающийся тем, что стержень с испытываемой пружиной устанавливают в направляющую втулку, являющуюся неподвижной частью устройства для динамических испытаний винтовых пружин сжатия, обеспечивая сопряжение передней поверхности испытываемой пружины и торца направляющей втулки, приводят направляющий стержень в соприкосновение с ударным элементом привода нагружения, устанавливают высоту предварительного поджатия, включают привод нагружения устройства и проводят испытание пружины.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что нагружение испытываемой пружины осуществляют с использованием периодического ударного взаимодействия ударного элемента привода нагружения и направляющего стержня, сжимающего за счет сил инерции установленную на нем испытываемую пружину.

3. Устройство для динамических испытаний винтовых пружин сжатия, содержащее направляющую втулку, закрепленную в удерживающем приспособлении испытательного оборудования, направляющий стержень, с надетой испытываемой пружиной, установленный в осевом отверстии направляющей втулки, отличающееся тем, что в осевом отверстии со стороны установки направляющего стержня выполнено углубление высотой, равной рабочей высоте пружины, на опорной поверхности которого закреплен тензометрический датчик, устройство дополнительно содержит ударный элемент привода нагружения с импульсным периодическим законом нагружения, выполненный в виде пневматического разгонно-тормозного устройства, при этом выход тензометрического датчика подключен к измерительному входу блока управления, выполненного на основе микроконтроллера и снабженного модулем индикации и кнопочной клавиатурой, силовой выход которого подключен к приводу нагружения.