машина для испытания образцов на растяжение и сжатие

Формула изобретения

1. Машина для испытания образцов на растяжение и сжатие, содержащая силовую раму, подвижную траверсу с механизмом ее перемещения, выполненным в виде пары винтовых передач, гайки которых расположены в подвижной траверсе, амортизирующие элементы, захваты для закрепления образца и силоизмеритель, отличающаяся тем, что гайка закреплена в подвижной траверсе с помощью крепежных элементов через высокоэластичный элемент, установленный соосно ходовому винту между опор, и через компенсатор, выполненный в виде упругого звена и установленный между верхней опорой и фланцем гайки соосно ходовому винту, высокоэластичный элемент и компенсатор выполнены разной податливости и сжаты предварительной нагрузкой, при испытании образцов на сжатие она снабжена нажимной плитой, расположенной на подвижной траверсе с возможностью жесткого контакта с фланцем гайки.

2. Машина по п.1, отличающаяся тем, что на нажимной плите выполнен упор для взаимодействия ее с компенсатором.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к испытательной технике, а именно к машинам для испытания образцов на растяжение, сжатие, изгиб и другие виды испытаний.

Известна машина для испытания материалов, состоящая из пары продольных направляющих, установленных на корпусе машины, траверсы, установленной для вертикального движения на двух ходовых винтах с параллельными осями, верхней неподвижной траверсы и привода ходовых винтов (Патент US №3375700 от 02.04.1968 г., НКИ: 73-93).

Недостатком указанной машины является неустойчивость по отношению к динамическим нагрузкам, возникающим при разрыве испытываемого образца.

Известна универсальная машина для испытания на изгиб, сжатие, растяжение, состоящая из основания, параллельных направляющих колонн, закрепленных на основании, траверсы, расположенной параллельно основанию и перемещающейся по направляющим колоннам, ходовых винтов и привода ходовых винтов (Патент US №3354704 от 28.11.67 г., НКИ: 73-93).

Недостатком известной машины является ограниченная нагрузочная способность, обусловленная тем, что при разрушении образца возникающие динамические нагрузки полностью передаются на жестко связанные узлы машины. Это вызывает снижение надежности и долговечности машины.

Наиболее близкой по технической сущности к заявляемой машине является машина для испытания образцов на растяжение (Патент RU №2091745 от 23.08.95 г., МКИ: G 01 N 3/08), содержащая силовую раму, подвижную траверсу с механизмом ее перемещения, выполненным в виде пары винтовых передач, гайки которых расположены в подвижной траверсе и скреплены с ней посредством болтов, упругие элементы по числу болтов, причем каждый упругий элемент установлен между головкой болта и фланцем гайки соответствующей винтовой передачи, захваты для закрепления образца и силоизмеритель.

Недостатками известной машины являются:

- низкая ее надежность, обусловленная тем, что при разрушении образца упругие элементы за счет сдвига подвижной траверсы от фланца гайки винтовой передачи резко сжимаются и, накопив (получив) энергию, мгновенно восстанавливают свою форму, отстреливая траверсу в исходное положение. При этом происходит соударение в резьбовой части ходового винта и, как следствие, потеря кинематической точности машины, в дальнейшем разрушение винта и гайки.

Свойство упругих элементов, например, пружин, о мгновенной восстанавливаемости их своей первоначальной формы при прекращении действия внешней силы известно (М.М. Резниковский, А.И. Лукомская. Механические испытания каучука и резины. - М.: Химия, 1968, стр.25);

- невозможность проведения других видов испытаний, например, на сжатие, изгиб, т.к. известно (B.C. Голубков, К.М. Пирогов, Б.Л. Смушкович. Испытательные машины в текстильном материаловедении. М.: Легпромбытиздат, 1988, с.30-42), что силовой контур испытательной машины должен иметь по условиям обеспечения стабильности режимов, точности и воспроизводимости результатов испытаний минимально возможную податливость (максимальную жесткость).

Поскольку машина является однозонной, то при проведении испытаний на сжатие податливость силового контура увеличивается на величину податливости упругих элементов (при испытании на сжатие испытательная нагрузка реализуется через упругие элементы).

Известно (В.Г. Улегин. Жесткость машин для испытания металлов на растяжение и сжатие и ее влияние на результат испытаний. - М.: Государственное научно-техническое издательство литературы по черной и цветной металлургии, 1960), что с изменением жесткости машины изменяются некоторые характеристики механических свойств материалов, что объясняется повышением условной относительной скорости деформации образца.

Поэтому в стандартах на испытательные машины нормируется величина жесткости машин, а в стандартах на методы испытаний нормируется не скорость перемещения активного захвата, а скорость нагружения, Н/мм²· с или скорость относительной деформации рабочей части образца (ГОСТ 1497-84 Металлы. Методы испытаний на растяжение, ГОСТ 25.303-97 Расчеты и испытания на прочность. Методы механических испытаний металлов. Метод испытания на сжатие. Межгосударственный совет по стандартизации, метрологии и сертификации. Минск).

Целью заявляемого изобретения является увеличение надежности и повышение нагрузочной способности машины путем снижения влияния динамических нагрузок, исключения соударения в резьбовой части винта и резонанса при разрушении образца, а также расширение функциональных возможностей за счет уменьшения податливости силового контура.

Указанная цель достигается тем, что машина для испытания образцов на растяжение и сжатие содержит силовую раму, подвижную траверсу с механизмом ее перемещения, выполненным в виде пары винтовых передач, гайки которых расположены в подвижной траверсе, амортизирующие элементы, захваты для закрепления образца и силоизмеритель, при этом гайка ходового винта закреплена в подвижной траверсе с помощью крепежных элементов через высокоэластичный элемент, установленный соосно ходовому винту между опор, и через компенсатор, выполненный в виде упругого звена и установленный между верхней опорой и фланцем гайки соосно ходовому винту. Высокоэластичный элемент и компенсатор выполнены разной податливости и сжаты предварительной нагрузкой.

При испытании образцов на сжатие машина снабжена нажимной плитой, расположенной на подвижной траверсе с возможностью жесткого контакта с фланцем гайки. На нажимной плите выполнен упор, который взаимодействует с компенсатором и исключает его полную деформацию при приложении нагрузки.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемая машина отличается тем, что гайка закреплена в подвижной траверсе с помощью крепежных элементов через высокоэластичный элемент, установленный соосно ходовому винту между опор, и через компенсатор, выполненный в виде упругого звена и установленный между верхней опорой и фланцем гайки соосно ходовому винту, высокоэластичный элемент и компенсатор выполнены разной податливости и сжаты предварительной нагрузкой, при испытании образцов на сжатие она снабжена нажимной плитой, расположенной на подвижной траверсе с возможностью жесткого контакта с фланцем гайки.

Кроме того, на нажимной плите выполнен упор для взаимодействия ее с компенсатором.

На фиг.1 изображена схема заявляемой машины; на фиг.2 - схема установки высокоэластичного элемента и компенсатора относительно ходового винта в разрезе; на фиг.3 - приспособление на сжатие.

Машина (фиг.1) содержит силовую раму, выполненную в виде основания 1 и неподвижной траверсы 2, связанных между собой колоннами 3, подвижную траверсу 4, механизм перемещения подвижной траверсы, выполненный в виде ходовых винтов 5 и гаек 6, установленных в подвижной траверсе 4. Ходовые винты 5 нижним концом размещены в узле упорных подшипников 7 и связаны с редукторами 8 и 9. Верхний конец винтов 5 закреплен в неподвижной траверсе 2 через подшипник. Вращение ходовых винтов 5 осуществляется от электродвигателя 10 через клиноременную передачу 11 и редукторы 8 и 9, червяки которых связаны соединительным валом 12. Неподвижный захват 13 закреплен на основании 1, а подвижный захват 14 на силоизмерителе 15, который закреплен на подвижной траверсе 4. В захваты 13 и 14 устанавливается образец 16.

При испытании на сжатие захваты заменяются на приспособление на сжатие, состоящее, например, из двух плит 17 и 18 (фиг.3).

Силоизмеритель 15 электрически связан с системой измерения 19 (силоизмеритель может быть также установлен на основании машины).

На фиг.2 изображена схема соединения подвижной траверсы с гайками ходовых винтов.

Гайка 6 ходового винта 5 при работе машины в режиме растяжения закреплена в подвижной траверсе 4 с помощью крепежных элементов 20 через высокоэластичный элемент 21 и компенсатор 22. При этом компенсатор 22 и высокоэластичный элемент сжаты предварительной нагрузкой. Для избежания резонансных явлений компенсатор и высокоэластичный элемент выполнены разной податливости.

Высокоэластичный элемент 21 может быть выполнен, например, из полиуретана, в виде диска, плиты, и установлен соосно ходовому винту 5 между опор 23, 24. Компенсатор 22 выполнен в виде упругого звена, например, в виде тарельчатых пружин, размещен между опорой 23 и фланцем гайки 6.

На подвижной траверсе 4 болтами 26 крепится нажимная плита 25, на которой имеется упор 27 для взаимодействия ее с компенсатором.

Компенсатор по условиям цикличного нагружения должен деформироваться не более 0,6... 0,7 значения полной деформации, поэтому упор 27, например, в виде конуса должен быть выполнен высотой, равной 0,3... 0,4 значения полной деформации компенсатора.

Машина работает следующим образом.

От электродвигателя 10 (фиг.1), клиноременную передачу 11 и редукторы 8, 9 движение передается на ходовые винты 5. При вращении ходовых винтов траверса 4 перемещается по колоннам 3 вверх, осуществляя растяжение образца 16. Усилие растяжения фиксируется системой измерения 19 от силоизмерителя 15.

В режиме растяжения образца болты 26 (фиг.2) вывернуты на необходимую величину. В процессе растяжения фланец гайки прижат к нижней плоскости подвижной траверсы 4, высокоэластичный элемент 21 не деформируется. Таким образом реализуется жесткий упор в режиме растяжения.

При нарастании нагрузки растяжения детали силового контура упруго деформируются, накапливая потенциальную энергию, которая освобождается при разрушении образца. При этом возникают динамические нагрузки, действующие в направлении, противоположном действию сил на элементы силового контура машины при растяжении образца. Высокоэластичный элемент 21 (фиг.2) и компенсатор 22 в случае, если он не деформирован полностью, начиная с предварительной нагрузки деформируются, в результате происходит отрыв фланца гайки 6 от плоскости подвижной траверсы 4.

Податливость силового контура машины увеличивается на величину податливости высокоэластичного элемента, а так как фактически развитие высокоэластичной деформации после приложения внешней силы, так же как и ее исчезновение после разгрузки, происходит во времени (М.М. Резниковский, А.И. Лукомская. Механические испытания каучука и резины. - М.: Химия, 1968, стр.26: 2-е предложение), то снижается сила удара подвижной траверсы по нарезной части ходовых винтов.

Скорость возвращения траверсы 4 в исходное положение значительно уменьшается в силу того, что для восстановления формы высокоэластичного элемента требуется определенное время. В зависимости от того, из какого материала выполнен высокоэластичный элемент, для полного восстановления его требуется иногда значительное время. Развитие во времени высокоэластичной деформации, наряду с упругой и пластичной, поясняется соответственно на фиг.3б; 3а и 3в (см. А.И.Лукомская. Механические испытания каучука и резины.- М.: Высшая школа, 1968, стр.10). В связи с этим компенсатор 22, предназначенный в основном для компенсации высоты высокоэластичного элемента 21, в случае накопления высокоэластичным элементом остаточной деформации, может участвовать в возвращении траверсы в исходное положение.

При работе машины в режиме сжатия захваты 13, 14 заменяются нажимными плитами 17, 18 (фиг.3), а чтобы исключить реализацию сжимающего усилия через податливые звенья, необходимо болтами 26 прочно закрепить нажимную плиту 25 к траверсе 4. При этом податливость высокоэластичного элемента 21, компенсатора 22 и крепежных элементов 20, влияющих на точность и воспроизводимость результатов испытаний, исключается, так как силовой контур испытательной однозонной машины, как при испытании в режиме растяжения, так и в режиме сжатия, должен иметь минимальную возможную податливость.

Компенсатор 22 (фиг.2) работает следующим образом. При монтаже машины компенсатор сжат до величины 0,6... 0,7 своей полной деформации. Во время восстановления формы высокоэластичного элемента после снятия внешней нагрузки компенсатор участвует в возвращении траверсы в исходное положение, а поскольку жесткость его, рассчитанная только на компенсацию остаточной деформации высокоэластиченого элемента, незначительна, то возврат траверсы происходит медленно, без соударений по ходовым винтам.

Таким образом, применение в машине высокоэластичного элемента и компенсатора и выполнение их из материала разной податливости позволяет предотвратить резкое соударение траверсы с резьбовой частью ходовых винтов за счет замедленного возвращения траверсы в исходное положение, а также снизить возможность возникновения резонанса машины.