устройство для испытания на устойчивость металлических образцов

Формула изобретения

Устройство для испытания на устойчивость металлических образцов, включающее опорную часть для опирания концов образца при испытании, отличающееся тем, что устройство содержит цилиндрический корпус с неподвижной, соосной с корпусом опоры, расположенной в его нижней части, с углублением по центральной оси цилиндра, соосный с корпусом подвижный в вертикальном направлении поршень для нагружения образца, выполненный в своей нижней части с углублением по центральной оси цилиндра под сферический шарнир, корпус снабжен также сменными цилиндрическими вставками двух типов для закрепления образца в устройстве, при этом вставка первого типа выполнена в виде цилиндра с отверстием по центральной оси цилиндра, соответствующим поперечному сечению образца, обеспечивающая закрепление по типу жесткой заделки с сохранением возможности осевого нагружения, вставка второго типа выполнена также в виде цилиндра с углублениями по центральной оси цилиндра с обоих концов под сферические шарниры.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к испытательной технике.

Известна установка для испытания металлических образцов на устойчивость (Прибор Михаэлса. В.А.Копнов, С.Н.Кривошапко. Сопротивление материалов. - М.: Высш. шк., 2003, с.292). Установка представляет собой систему рычагов, два из которых параллельны друг другу и соединены между собой посредством тяги при помощи шарниров, верхний рычаг выполнен с присоединенной к нему подвеской с грузом и противовесом, испытуемый образец одним концом соединен с неподвижной опорой, другим концом - с нижним рычагом. Сжимающее усилие на образец передается грузом через систему рычагов, а величина его определяется весом груза и соотношением плеч параллельных рычагов.

Эта установка отличается сложностью конструкции, так как рычаги имеют большую длину и, как следствие, не обеспечивается высокая точность соосности нагружения.

Известно также устройство для испытания на устойчивость металлических образцов (В.А.Копнов, С.Н.Кривошапко. Сопротивление материалов. - М.: Высш. шк., 2003, с.291). Устройство состоит из опорных частей, установленных соосно на опорных плитах испытательной машины. Испытуемый образец шарнирно опирается на опорные части устройства, закладываемые между концами образца и опорными плитами машины. Для осуществления шарнирного опирания концов образца при испытании на стандартной машине и обеспечения центральной передачи сжимающей нагрузки концы испытываемого образца обрабатываются так, чтобы скошенные плоскости пересекались на его геометрической оси. При испытании образцов из мягкой стали на его концы укрепляют калёные наконечники. Некоторое сжатие образца или наконечника по линии контакта не сказывается на результатах опыта.

В этом устройстве сложно достичь соосного расположения опорных частей устройства на опорных плитах машины при их установке и, как следствие, невозможность центрального приложения сжимающей нагрузки.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение точности определения критической силы при потере устойчивости.

Указанный технический результат достигается путем решения технической задачи, направленной на повышение точности соосности нагружения образцов при испытании.

Поставленная техническая задача решается за счет того, что в известном устройстве для испытания металлических образцов на устойчивость, содержащем опорную часть для опирания концов образца при испытании, предусмотрено наличие цилиндрического корпуса с неподвижной, соосной с корпусом опорой, расположенной в его нижней части, соосного с корпусом подвижного в вертикальном направлении цилиндрического поршня для нагружения образца, выполненного в своей нижней части с углублением по центральной оси цилиндра под сферический шарнир, корпус снабжен также сменными цилиндрическими вставками двух типов для закрепления образца в устройстве, при этом вставка первого типа выполнена в виде цилиндра с отверстием по его центральной оси, соответствующим поперечному сечению образца, вставка второго типа выполнена также цилиндрической с углублениями по центральной оси с обоих концов под сферические шарниры.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что исключается внецентренное приложение силы на испытуемый образец при четырех способах закрепления его концов:

1. Шарнирное соединение верхнего конца образца со вставкой второго типа, с одной стороны, и шарнирное соединение этой вставки, с другой стороны, с нагружающим поршнем, что дает возможность перемещаться в горизонтальной плоскости. При этом нижний конец образца жестко закреплен с помощью вставки первого типа, установленный в ее отверстие по скользящей посадке.

2. Через шарнирное соединение с двух концов образца: нижний конец образца укреплен с помощью сферического шарнира на неподвижной опоре, верхний конец образца с помощью сферического шарнира соединен с нагружающим поршнем.

3. Через шарнирное соединение образца сверху посредством сферического шарнира с нагружающим поршнем, снизу закрепление образца по схеме жесткой заделки осуществляется с помощью цилиндрической вставки первого типа с отверстием.

4. Через жесткую заделку образца при помощи вставок первого типа сверху и снизу в отверстия при упоре в сферические шарниры.

Заявляемое устройство служит для испытания на устойчивость с использованием стандартных испытательных машин с записью диаграмм деформации для определения критической силы. Устройство обеспечивает четыре способа закрепления концов стержней, наиболее распространенные на практике, и работает следующим образом.

Необходимое требование соосности нагружения, чтобы исключить внецентренное приложение силы, обеспечивается за счет приложения нагрузки через сферические шарниры, устанавливаемые в центровые отверстия образцов. Соосность изготовления центровых отверстий обеспечивается механической обработкой с помощью центровых сверл.

На фиг.1 изображен общий вид устройства с установленным образцом.

На фиг.2 изображены схемы четырех способов закрепления концов образца.

На фиг.3 изображены закрепления испытуемых образцов в устройстве.

На фиг.4 изображены вставки двух типов.

Устройство состоит из цилиндрического корпуса 1, внутри которого в нижней части расположена неподвижная опора 2 с углублением 3 по центральной оси цилиндра, внутри корпуса расположен нагружающий поршень 4 с возможностью вертикального перемещения, выполненный с углублением 3 по центральной оси цилиндра в нижней своей части под сферический шарнир 5, устройство снабжено сменными цилиндрическими вставками двух типов, вставка первого типа 6 выполнена с отверстием 7 по центральной оси, соответствующим поперечному сечению испытываемого образца 8, вставка второго типа 9 выполнена с углублениями 3 с обоих концов по центральной оси цилиндра под сферические шарниры 5.

Первый способ закрепления концов образца - жесткая заделка и свободный конец, показанный на фиг.2,а и 3,а. Нижнее закрепление обеспечивается с помощью цилиндрической вставки первого типа фиг.4,а с отверстием, в которое вставляется цилиндрический конец испытуемого образца по скользящей посадке, при которой верхний допуск уменьшается на величину упругой поперечной деформации, возникающей в процессе сжатия, при этом сохраняется возможность осевого нагружения стержня и исключается возможность поворота концевого сечения образца, как в жесткой заделке.

Возможность свободного перемещения верхнего конца образца в плоскости, перпендикулярной геометрической оси образца, обеспечивается цилиндрической вставкой второго типа фиг.4,б с двумя по концам центровыми углублениями со сферическими шарнирами, что создает шарнирное соединение образца со вставкой и шарнирное соединение вставки с нагружающим поршнем.

Второй способ закрепления - шарнирные соединения с двух концов стержня фиг.2,б, 3,б. Нижний конец образца устанавливается с помощью сферического шарнира на неподвижной опоре, а верхний конец образца с помощью шарнирного соединения через сферический шарнир, связанный с нагружающим поршнем.

Третий способ закрепления фиг.2,в, 3,в - жесткая заделка снизу, шарнирное закрепление сверху. Закрепление у неподвижной опоры обеспечивается с помощью цилиндрической вставки первого типа фиг.4,а с отверстием, в которое до упора в шарнир вставляется цилиндрический конец испытываемого образца, а верхний конец стержня с помощью сферического шарнира соединен с нагружающим поршнем.

Четвертый способ закрепления фиг.2,г, 3,г - жесткая заделка снизу и жесткая заделка сверху. Нижнее закрепление обеспечивается с помощью цилиндрической вставки первого типа фиг.4,а с отверстием, в которое вставляется до упора в шарнир цилиндрический конец испытываемого образца по скользящей посадке, при этом закрепление верхнего конца стержня также обеспечивается с помощью цилиндрической вставки первого типа фиг.4,а с отверстием, в которое до упора в сферический шарнир вставляется верхний конец испытуемого образца. Нагружение осуществляется через сферический шарнир при перемещении нагружающего поршня.

Пример конкретного исполнения

Были проведены испытания на сжатие с использованием универсальной испытательной машины Р-20 с максимальным усилием 20 тонн. Испытанию подвергались ряд цилиндрических образцов из стали 45. Например, образцы диаметром 12 мм, высотой 50 мм и 140 мм с закреплением в приспособлении по схеме шарнирных опор с обоих концов. В результате испытания были получены значения критических сил, при которых образцы теряют устойчивость. Эти значения, а также значения напряжений сведены в таблицу.

Таблица
№ образца	Диаметр образца d, мм	Длина образца l, мм	Гибкость,		Fкр, Н	кр, МПа	Т, МПа	, %
1	12	50	16.7	1	39000	345	340	1.4
2	12	140	46.7	1	38950	344.7	340	1.3

При таких размерах образцов потеря устойчивости должна происходить из-за того, что напряжения в образце достигают предела текучести _Т=340 МПа для стали 45, что хорошо согласуется с опытом. Процентное расхождение получилось равным ₁=1.4%, ₂=1.3%.

Устройство позволяет использовать наконечники для различных поперечных сечений образцов, которые устанавливаются внутри цилиндрического корпуса.

Устройство имеет несложную конструкцию, удобно в эксплуатации, повышает точность соосности нагружения при любом виде закрепления. Как следствие, увеличивается точность определения величины критической силы при испытании на устойчивость. Устройство может использоваться в лабораторных условиях при испытании на стандартной машине, при проведении практических занятий по сопротивлению материалов и выполнении научных исследований.