устройство для определения прочностных свойств тонкостенных конструкций

Формула изобретения

Устройство для определения прочностных свойств, содержащее индентор в виде стержня с наконечником с размещенным внутри него пьезоэлементом, электрически связанным с измерительным блоком, и механизм привода индентора, отличающееся тем, что наконечник выполнен тупым, а индентор выполнен с массой, составляющей 5 - 40% от массы исследуемого образца.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к приборам для определения прочностных свойств тонкостенных объектов, например куриных яиц.

Известен прибор для испытания материалов на хрупкость, содержащий индентор в виде стержня с наконечником и механизм его привода (см. описание к а. с. СССР N 1497490, C 01 N 3/30, 1989 [1]). Недостатком известного устройства является сложность его конструкции и невысокая точность измерения.

Известен прибор для определения прочности материалов, содержащий корпус с приводом индентора и индентор, выполненный в виде штока с наконечником (см. описание к а.с. СССР N 1153266 G 01 N 3/48, 1985 [2]. Недостатком известного устройства является невысокая точность определения прочностных свойств материалов.

Наиболее близким к заявляемому по своей технической сущности и достигаемому результату является устройство для определения механических характеристик материалов, известное из описания к а.с. СССР N 1539583 G 01 N 3/48, 1990 [3], позволяющее определить усилие хрупкого разрушения (см. колонку 3, строки 30-35), т.е. прочностные свойства.

Известное устройство содержит индентор в виде стержня с наконечником с размещенным внутри него пьезоэлементом, который соединен с измерительным блоком. Устройство снабжено приводом индентора, обеспечивающим его прямолинейное равномерное перемещение на участке траектории перед соприкосновением с исследуемым образцом.

Недостатком известного устройства является невысокая точность определения прочностных свойств тонкостенных объектов, например, куриных яиц. Это обусловлено тем, что наконечник имеет форму обоюдоострого ножа и его взаимодействие с объектом не воспроизводит реальных условий, в которых происходит разрушение скорлупы.

Заявляемое в качестве изобретения устройство для определения прочностных свойств направлено на повышение достоверности и точности определения прочностных свойств тонкостенных объектов, например скорлупы куриных яиц.

Указанный результат достигается тем, что устройство для определения прочностных свойств содержит индентор в виде стержня с наконечником с размещенным внутри него пьезоэлементом, электрически связанным с измерительным блоком, и механизм привода индентора, при этом наконечник выполнен тупым, а индентор - с массой, составляющей 5-40% от массы исследуемого образца.

Отличительными признаками заявляемого устройства являются:

- выполнение наконечника индентора тупым;

- выполнение индентора с массой, составляющей 5-40% от массы исследуемого образца.

Выполнение наконечника индентора тупым, т.е. например в виде сферы, полусферы, эллипсоида вращения, усеченного конуса, усеченной пирамиды, цилиндра и т.п., позволяет получать более достоверные и точные результаты по сравнению с использованием наконечника как у прототипа, т.к. в этом случае происходит процесс "чистого" разрушения, без "режущей" составляющей. Именно такое, без протыкания скорлупы, а путем ее частичного смятия и вдавливания, на практике происходит разрушение яйца при транспортировке. И такое разрушение вызывается при соударении яйца с тупым наконечником.

При этом, как было установлено экспериментально, наиболее точные и достоверные результаты при исследовании прочностных характеристик куриных яиц достигаются, если масса индентора составляет от 5 до 40% от массы исследуемого объекта, т.е. яйца. Если масса индентора меньше 5% от массы яйца, то для обеспечения разрушения скорлупы индентору необходимо сообщать значительную начальную скорость, а измерения параметров процесса с помощью пьезоэлемента, находящегося внутри индентора, движущегося с большой скоростью, имеют значительную погрешность. Если же масса индентора больше 40% массы исследуемого объекта, то снижается чувствительность измерений.

Сущность заявляемого устройства для определения прочностных свойств поясняется примером реализации и чертежом, на котором схематично представлена блок-схема устройства.

Устройство содержит индентор в виде полого стержня 1 с тупым наконечником 2, например в виде части эллипсоида, как это показано на чертеже. Внутри полого стержня размещены пьезоэлемент 3, жестко соединенный с наконечником 2 и массой 4. Пьезоэлемент электрически соединен с измерительным блоком, который состоит из предусилителя 5 с источником питания 6 и связан со средствами регистрации, например с запоминающим осциллографом 7 и блоком памяти 8. Индентор приводится в движение приводом, обеспечивающим его прямолинейное равномерное перемещение в момент контакта с исследуемым объектом (яйцом), установленным в специальном держателе (привод и держатель на чертеже не показаны, как не относящиеся к сущности предложения).

Устройство работает следующим образом. Включают привод, сообщающий индентору (стержню 1 с наконечником 2) начальную скорость V₀. Индентор находится в равномерном поступательном движении в момент соприкосновения с яйцом. При торможении индентора исследуемым объектом масса 4 за счет сил инерции создает давление на пьезоэлемент 3 с усилием, пропорциональным реакции опоры. Генерируемый пьезоэлементом электрический сигнал поступает на вход предусилителя 5, питаемого источником 6, выбранным из числа известных. С выхода предусилителя сигнал поступает на вход блока памяти.

Амплитуда электрического сигнала, генерируемого пьезоэлементом, возрастает пропорционально нагружающему усилию, обусловленному сопротивлением исследуемого объекта.

Полученную осциллограмму, зафиксированную в блоке памяти, обрабатывают, используя известные математические методы, например, интегрированием уравнения, описывающего процесс торможения индентора с фиксированной массой, известной начальной скоростью соударения и временем торможения на различных участках траектории) и определяют прочностную характеристику скорлупы яйца.

В частных случаях реализации выход пьезоэлемента может быть подключен непосредственно (или через предусилитель) к вычислительному устройству - персональному компьютеру или микропроцессору с дисплеем, снабженному необходимым матобеспечением с помощью которого сигнал от пьезоэлемента преобразуется в величину прочности скорлупы яйца и выводится на экран монитора или дисплея.

В этих случаях роль измерительного блока, упомянутого в формуле изобретения, будет выполнять компьютер или микропроцессор.