Установка статичного розтягування-кручення для визначення характеристик тріщиностійкості матеріалів за змішаного навантаження

Корисна модель відноситься до експериментальної механіки і може бути використана для визначення характеристик тріщиностійкості матеріалів за складного статичного або циклічного навантажень поперечним зсувом і нормальним відривом (розтягування і кручення), а також змішаного навантаження. У відомих дослідженнях [1, 2], наведено пристрої та силові схеми випробувань, які використовують для визначення характеристик опору матеріалів руйнуванню за механізмом нормального відриву і поперечного зсуву. Існують пристрої, на яких реалізують схеми змішаного руйнування; пристрої з безпосереднім навантаженням, з електроприводом, з гідравлічним і електромагнітним приводом. Недоліком пристрою з безпосереднім навантаженням [3] окрім його масивності є те, що навантаження в ньому змінюється ступенево, внаслідок чого швидкість деформування зразка є неконтрольованою. Найближчим за технічним рішенням способом для реалізації змішаного руйнування матеріалу є застосування випробувальної машини ЦДМУ-30 з додатковим пристосуванням [1] розробленим в Інституті проблем міцності НАН України. Недоліком цього способу є ускладнений контроль за навантаженням, а також несинхронність розтягувальних і крутильних зусиль через складність узгодження крутного моменту і осьової сили. В основу корисної моделі поставлено задачу створення пристрою для забезпечення синхронності статичного та циклічного навантажень стиском-крученням або розтягом-крученням для визначення характеристик тріщиностійкості конструкційних матеріалів за змішаного навантаження циліндричного зразка. Випробувальну установку для змішаного статичного та циклічного навантаження зображено на рис. 1. Вона складається з універсальної машини EUS-20 і додаткового пристрою, який забезпечує закручування зразка синхронно із циклічним розтягуванням його машиною. В запропонованій установці всі циліндри виконують різні функції, але приводяться в дію від одного головного циліндра машини, що і забезпечує синхронність навантажування розтягом і крученням (статичним і циклічним). При переміщенні штока головного циліндра машини EUS-20 вверх навантажувальний циліндр створює тиск масла в безштоковій порожнині, і передає рух до поворотних циліндрів, що закручують зразок. Відповідно циклічні переміщення машини від головного циліндра будуть передаватись до навантажувального циліндра внаслідок чого відбувається синхронне циклічне закручування із розтягом або стиском. Машина EUS-20 служить для навантаження зразка циклічним розтягом і одночасно забезпечує, синхронне закручування циліндричного зразка з допомогою допоміжного пристрою, встановленого на машині, що дозволяє визначати характеристики опірності втомному руйн уванню за складного напруженого стану. Циліндричний зразок l встановлюють у верхній 2 і нижній 3 захоплювачі, які утримують від прокручування і витягування його та дозволяють здійснювати розтяг і закрут. Верхній захоплювач 2 з'єднаний з навантажувальною рамою машини EUS-20 через динамометр розтягу-стиску 4, встановлений на упорному підшипнику для зменшення тертя ковзання при закручуванні навантаженого осьовим зусиллям зразка. Цей захоплювач може переміщатися тільки вздовж осі машини, а нижній захоплювач 3 може лише обертатися навколо своєї осі. До верхнього захоплювача співвісно закріплено важіль 5 на протилежних кінцях якого встановлено динамометри 6 та 7, які контактують через шарніри 8, 9 із нерухомими колонами машини EUS-20. Важіль утримує зразок від прокручування, а динамометри фіксують пару сил, що закручує зразок моментом. Нижній захоплювач 3 закріплено на нерухомій траверсі машини, а до нього шарнірне приєднано рухомі штоки 10, 11 гідроциліндрів 12 і 13. Нерухомі кінці гідроциліндрів 12, 13 шарнірно закріплені до нерухомих колон машини EUS-20. Між нерухомою траверсою машини і навантажувальною плитою встановлено навантажувальний гідроциліндр 14. Для статичного закручування зразка використовують насосну установку 75. При складному циклічному навантаженні, тобто коли зразок циклічно розтягують і синхронно закручують гідравлічна система подачі масла в гідроциліндр 14 компенсується золотником 16, зворотнім клапаном 17 та манометром 18. Випробовування на запропонованій установці за силовою схемою синхронного циклічного навантаження розтягу-кручення здійснюють наступним чином. Статично розтягують зразок власне машиною, а закручують циліндрами 12 і 13 від насосної установки 15. Циклічно розтягують зразок шляхом переміщення траверси, яка сприймає пульсуючі навантаження основного циліндра машини. Синхронно із розтягуванням зразка здійснюють його закручування гідроциліндрами 12, 13, що підключені до гідросистеми і які повертають нижній захоплювач 3 навколо поздовжньої осі машини. Циклічне переміщення цих циліндрів забезпечує навантажувальний гідроциліндр 14, який сприймає пульсуючі навантаження рухомої траверси від гідроприводу машини. Переміщуючи траверсу машини зразок розтягують, при цьому одночасно навантажуючий циліндр 14, включений у замкнуту гідросистему насосної установки, стискається і змінюючи тиск, закручує зразок циліндрами 12, 13. Пару сил, яку створюють ці циліндри, фіксують динамометрами 6 та 7 що розміщені на важелі 5, і які контактують із несучими колонами машини через шарніри. Крутний момент на зразку створює пара сил, а визначають його як добуток зусиль зафіксованих динамометрами 6 та 7, на величину плеча між ними. Отже, навантажування зразка циклічним розтягуванням і закручуванням здійснюють наступним чином: встановлений у захоплювачі зразок, навантажують статичним осьовим зусиллям Р1 машини, яке складає 20% від робочого розтягувального зусилля зразка. Після цього гідравлічною насосною установкою створюють в системі статичний тиск, який забезпечує пару сил на штоках гідроциліндрів 12, 13, фіксують динамометрами 6 і 7 і закручує зразок крутним моментом М. При цьому навантажувальний гідроциліндр 14 стискає, зразок осьовим зусиллям Р2 меншим від Р1. При збільшенні тиску у системі гідро циліндрів різниця зусиль P1 – P2 закручує зразок крутним моментом. У випадку збільшення крутного моменту на зразку необхідно збільшувати і зусилля Р1, щоб забезпечити умову Р 1 > Р2 . Задаємо необхідну частоту пульсації силової рами машини, яка передається на зразок, а разом з тим синхронно переміщає навантажувальний циліндр 14, який передає цю пульсацію в замкнуту гідравлічну систему на циліндри 12 і 13, які циклічно закручують зразок. При цьому циклічне розтягування і циклічне закручування зразка відбувається синхронно за асиметричним циклом синусоїдної форми. Статичний стиск та циклічне закручення зразка здійснюють наступним чином: зразок встановлюють в захоплювачі і гвинтом 19 через кульовий шарнір 20, динамометр 4 передають стискальні зусилля на зразок. Відповідно до схеми розтягу-кручення задаємо необхідну частоту пульсації силової рами машини. Гідроциліндр 14 отримує при цьому зворотно-поступальні переміщення і передає пульсацію на циліндри 12, 13, які створюють циклічний крутний момент на зразку. Реєструють амплітуди циклічного зусилля розтягування та моменту закручення, а також циклічні амплітуди розкриття і зсуву берегів тріщини при розтягуванні та закрученні і підростанні тріщини за допомогою комп'ютеризованого комплексу. Використання запропонованого пристрою дозволяє здійснювати статичне та циклічне навантаження за силовими схемами закручення-стиск та розтяг-кручення (змішаного навантаження). Джерела інформації: 1. Г.С. Писаренко, А.А. Лебедев. Деформирование и прочность материалов при сложном напряженном состоянии -Киев: Наук. думка, 1976. 2. А.А. Добряков - Передовой научно-технический опыт, 1965, №2 с.65-143 3. W.N. Findley, J.C. Gyelsvik-Proc. ASTM, 1962, c.62.