Полезности - Наука и техника
Универсальные испытательные машины нового поколения
Существующие многочисленные исследования усталости металлов ещё не в полной мере раскрыли природу и кинетику развития усталостного разрушения, позволяющих дать оценку долговечности и трещиностойкости авиационно-космических материалов. Объясняется это с одной стороны сложностью теоретической оценки учёта многофакторных процессов накопления повреждений и с другой стороны отсутствием испытательного оборудования, способного обеспечить надёжную и достоверную оценку результатов экспериментальных исследований по определению влияния различных факторов на усталостную прочность.
В настоящее время большинство испытательных машин в качестве силовозбудителя применяют гидроцилиндр двухстороннего действия с двумя штоками равных площадей (двухштоковый) как для статических, так и для циклических испытаний. Однако анализ динамических и конструктивных особенностей показывает, что такой силовой цилиндр в сравнении с дифференциальным (одноштоковым) цилиндром имеет ряд существенных недостатков. Особенно отчетливо преимущества одноштокового цилиндра проявляются в конструкциях вибраторов и испытательных машин, предназначенных для многоцикловых испытаний в условиях широкого диапазона частот нагружения.
Из сравнения схем одноштокового и двухштокового силовых цилиндров следует, что при смещении равновесного положения поршня в сторону управляющей полости наблюдается уменьшение объема полости 1 и, как следствие, уменьшение потерь на сжимаемость рабочей жидкости. Для двухштокового цилиндра рабочий объем жидкости не изменяется, так как уменьшение объема в одной полости, сопровождающее движение поршня вниз, компенсируется увеличением объема в другой полости.
Сравнение графиков одноштокового цилиндра и двухштокового цилиндра показывает, что амплитуды нагрузки для одноштокового цилиндра могут быть получены существенно выше, чем для двухштокового цилиндра. Кроме того результаты экспериментальных исследований гидропривода с одноштоковым цилиндром, которые хорошо согласуются с теоретическими исследованиями до частоты нагружения 30 Гц, при более высоких частотах экспериментальные значения амплитуд нагрузок имеют несколько меньшее значение. В целом, динамические параметры машины с одноштоковым цилиндром при малой высоте активной полости (около 10 мм) оказываются существенно выше, чем у машины с двухштоковым цилиндром. Для получения одинаковой с двухштоковым цилиндром амплитудно-частотной характеристики в случае одноштокового цилиндра требуется насосная установка с производительностью примерно в 1,5—2 раза меньше, вследствие чего универсальная испытательная машина МИУ-К потребляет энергию существенно меньше, чем у аналогов с двухштоковым цилиндром.
Таким образом, на амплитудно-частотную характеристику нагружения машины с одноштоковым цилиндром существенное влияние оказывает высота активной полости, что дает возможность при неизменном нагружающем устройстве иметь машину с регулируемой жесткостью, позволяющую получать большие хода поршня в области малых частот, расширить диапазон нагружения в области высоких частот и уменьшить энергопотребление.
Отсутствие второго штока у поршня уменьшает его приведенную массу и высоту цилиндра (в среднем на 15-20%), становится ненужным специальный фундамент, обеспечивающий возможность движения второго штока. Технологически одноштоковый цилиндр более прост в изготовлении, так как имеет две сопрягаемые поверхности против трех у двухштокового цилиндра. Наличие двух сопрягаемых поверхностей позволяет уменьшить вероятность появления задиров внутренней поверхности цилиндра, что достаточно часто встречается в двухштоковых цилиндрах и является следствием неточностей изготовления и деформации штоков в процессе эксплуатации.
Одноштоковый цилиндр имеет двухкромочный золотниковый гидрораспределитель, это существенно упрощает систему управления силовым цилиндром и повышает надежность работы испытательной машины.
В НИКЦИМ Точмашприбор разработан и совместно с ФГУП “Точмашприбор” на основе одноштокового силовозбудителя изготавливается ряд испытательных машин серии МИУ-К, предназначенных для научных исследований в области прочности металлов и сплавов при малоцикловом и многоцикловом нагружении (деформировании), а также для статических испытаний на растяжение, сжатие и изгиб как в условиях обычных, так и повышенных температурах до 1100°С по ГОСТ 1497, ГОСТ 10006, ГОСТ 25.502, ГОСТ25.503, ASTM E8, DIN 501215, EN 10002.
На испытательных машинах МИУ-К могут быть реализованы жесткий и мягкий, отдельные и блоковые циклические режимы нагружения с любыми коэффициентами асимметрии и безударными переходами между ними. Ряд машин серии МИУ-К обеспечивает воспроизведение предельных нагрузок 100, 200, 500, 1000, 2000 кН. Относительная погрешность измерения нагрузки при статических испытаниях не превышает ±1% от измеряемой нагрузки в диапазоне измерения, при динамических испытаниях не более ±2%. Относительная погрешность измерения перемещения активного захвата не превышает ±2% от измеряемой величины перемещения. Погрешность измерения деформации не превышает ±1% от верхнего предела каждого диапазона измерения. Относительная погрешность поддержания скорости изменения параметров нагружения не превышает ±5% от заданной величины скорости изменения параметра.
Расположение рабочего цилиндра нижнее, центральное. Изменение высоты рабочего пространства обеспечивается плунжерами, размещенными внутри колонн. Для испытаний гладких, круглых и плоских образцов машины комплектуются приспособлениями для испытаний на сжатие, изгиб, вязкость разрушения, универсальными клиновыми захватами, обеспечивающими надежное закрепление и центрирование образца при знакопостоянных и знакопеременных нагрузках, датчиками деформации с базами 10, 25, 50 и 100 мм, тензокалибратором для поверки датчиков деформации. Дополнительно машины могут комплектоваться образцовыми динамометрами 3-го разряда, термо- и криокамерами. Машины МИУ-К отличаются большим ходом нагружающего штока силового цилиндра (250 мм), у аналогов ход не более 150 мм, при этом, благодаря дифференциальной конструкции цилиндра (управляющая полость нижняя, а в верхней полости постоянное давление) обеспечивается испытание как податливых образцов на весь ход штока, так и жестких образцов с малым ходом при максимальной гидравлической жесткости, что уменьшает необходимую производительность насосной установки и энергозатраты на проведение испытаний.
Высокотемпературные испытания при 1100°C осуществляются в специальной печи производства фирмы "MAYTEC" (Германия), закреплённой с помощью штанги установленный на основании машины. Деформации при этом измеряются с помощью высокотемпературного экстензометра с погрешностью измерения ±1%. Измерение температуры c помощью термопар осуществляется как по высоте печи, так и на поверхности испытываемого образца. Погрешность измерения температуры составляет ±1°C. Верхний захват с целью защиты датчика силы от тепловых воздействий имеет водяное охлаждение.
Электротензометрический датчик силы, установленный в верхней траверсе нагружающего устройства, защищен мембранами от воздействия боковых сил. Мембрана имеет значительную боковую и весьма малую осевую жесткости, обеспечивая защиту датчика от восприятия изгибающих моментов и, практически, не влияя на продольную деформацию датчика. Поперечная составляющая реакции образца на пассивном захвате не превышает 5% от наибольшей суммарной нагрузки.
Специальные универсальные клиновые захваты обеспечивают центрирование образцов при зажиме с отклонениями от соосности не более 0,03-0.04 мм, что жестче требований как отечественных, так и зарубежных нормативных документов. Сравнительные испытания показали, что прочностные характеристики металлов, испытанных при знакопеременном нагружении (растяжение-сжатие) на 5-15% выше по сравнению с результатами испытаний на аналогичных отечественных и зарубежных машинах.
Машина МИУ-К имеет 4 канала измерения: по нагрузке, малым и большим перемещениям, деформации (для высокотемпературных испытаний предусматривается еще один канал измерения температуры). Компьютерная система управления обеспечивает проведение испытаний по синусоидальному, треугольному и трапецеидальному законам нагружения при заданной температуре. При этом производится автоматическое управление системой нагружения в соответствии с программой испытаний, поддержание температуры испытаний, измерение и расчет механических характеристик материалов, индикация результатов испытаний в реальном времени, автоматическая поверка машины с применением электрических динамометров.
Машина МИУ-К может применяться для изучения характера циклического упрочнения материала до стабилизированного состояния) и получения вещественных параметров циклического упрочнения модели термопластичности материала.
Применение электрогидравлического привода и самодиагностирующейся модульной компьютерной системы управления и обработки информации обеспечивают поддержание всех параметров испытаний на заданном уровне, регистрацию процесса нагружения и деформирования образца, обработку результатов испытаний, расчет характеристик материалов, архивирование информации, построения необходимых для испытаний диаграмм нагружения и предельных амплитуд, кривой усталости и распечатку протокола испытания.
Универсальные испытательные машины МИУ-К позволят во многом повысить точность и эффективность исследований процессов упругого и упруго-пластического деформирования образцов авиационно-космических материалов и сплавов при однократном и циклическом нагружении как в условиях обычных, так и высоких температур, что даст возможность уточнить деформационные критерии разрушения, составляющие основу инженерных прочностных расчетов.
Источник: niktsim.ru
|
