BR102016014593A2

BR102016014593A2 - TORQUE FATIGUE MACHINE BASED ON ROTABLE UNBALANCE

Info

Publication number: BR102016014593A2
Application number: BR102016014593-7A
Authority: BR
Inventors: Barbieri Renato; Vieira Cleide
Original assignee: Fundação Universidade Do Estado De Santa Catarina
Priority date: 2016-06-21
Filing date: 2016-06-21
Publication date: 2018-01-09

Abstract

a máquina de fadiga para torção baseada em desbalanceamento rotativo consiste em equipamento destinado a realizar testes de fadiga em corpos de prova padronizados ou em componentes adaptáveis ao sistema de fixação da máquina aplicados a materiais metálicos ou não metálicos, com carregamento torcional e amplitude de torque constante ou variável no tempo.The rotary unbalance-based torsion fatigue machine consists of equipment designed to perform fatigue tests on standard specimens or machine-adaptive components applied to metallic or non-metallic materials, with torsional loading and constant torque amplitude. or variable in time.

Description

(54) Título: MÁQUINA DE FADIGA PARA TORÇÃO BASEADA EM DESBALANCEAMENTO ROTATIVO (51) Int. Cl.: G01N 3/26; G01N 3/34 (73) Titular(es): FUNDAÇÃO UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA (72) Inventor(es): RENATO BARBIERI; CLEIDE VIEIRA (74) Procurador(es): EDEMAR SOARES ANTONINI (57) Resumo: A Máquina de Fadiga para Torção Baseada em Desbalanceamento Rotativo consiste em equipamento destinado a realizar testes de fadiga em corpos de prova padronizados ou em componentes adaptáveis ao sistema de fixação da máquina aplicados a materiais metálicos ou não metálicos, com carregamento torcional e amplitude de torque constante ou variável no tempo.(54) Title: FATIGUE MACHINE FOR ROTARY UNBALANCING TORSION (51) Int. Cl .: G01N 3/26; G01N 3/34 (73) Holder (s): FOUNDATION UNIVERSITY OF THE STATE OF SANTA CATARINA (72) Inventor (s): RENATO BARBIERI; CLEIDE VIEIRA (74) Attorney (s): EDEMAR SOARES ANTONINI (57) Abstract: The Rotary Unbalance Torsion Fatigue Machine consists of equipment designed to perform fatigue tests on standardized specimens or components adaptable to the fixation system of the machine applied to metallic or non-metallic materials, with torsional loading and constant or time-varying torque amplitude.

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MÁQUINA DE FADIGA PARA TORÇÃO BASEADA EM DESBALANCEAMENTO ROTATIVO [001] A presente invenção refere-se a um equipamento mecânico para uso em testes de fadiga com carregamento de torção. Os testes podem ser realizados com corpos de prova padronizados ou em componentes adaptáveis ao sistema de fixação da máquina. Os testes podem ser aplicados para materiais metálicos ou não metálicos e a amplitude do torque pode ser constante ou variável no tempo. O torque que é gerado no corpo de prova e/ou componente em teste tem origem em um desbalanceamento rotativo e a amplitude deste torque é controlada variando o valor da massa desbalanceada ou a velocidade angular do sistema rotativo.TORQUE FATIGUE MACHINE BASED ON ROTATING UNBALANCING [001] The present invention relates to mechanical equipment for use in fatigue tests with torsion loading. The tests can be performed with standardized specimens or on components adaptable to the machine's fixing system. The tests can be applied to metallic or non-metallic materials and the amplitude of the torque can be constant or variable in time. The torque that is generated in the test piece and / or component under test originates from a rotary unbalance and the amplitude of this torque is controlled by varying the value of the unbalanced mass or the angular speed of the rotating system.

[002] Estado da técnica [003] Os ensaios de fadiga de componentes ou de corpos de prova de materiais normalmente são realizados controlando a amplitude da deformação ou a amplitude da tensão durante o ensaio. Nos dois tipos de ensaio o corpo de prova (ou componente) é solicitado com carregamentos cíclicos (normalmente impostos na forma de deslocamentos) até que o componente ou o corpo de prova rompa ou sofra uma deformação permanente pré-fixada, registrando-se o número de ciclos necessários até essa ocorrência. A diferença entre estas abordagens é a grandeza utilizada para o controle da amplitude do carregamento. No primeiro caso é controlada a deformação e um dos resultados do ensaio é a curva conhecida como ε-Ν (deformação-vida). No segundo caso é controlada a tensão e um dos resultados é curva σ-Ν (tensão-vida).[002] State of the art [003] Fatigue tests of components or material specimens are normally carried out by controlling the amplitude of the deformation or the amplitude of the stress during the test. In both types of test, the specimen (or component) is ordered with cyclic loads (usually imposed in the form of displacements) until the component or specimen breaks or undergoes a pre-fixed permanent deformation, registering the number of cycles required until this occurrence. The difference between these approaches is the magnitude used to control the loading amplitude. In the first case, the deformation is controlled and one of the test results is the curve known as ε-Ν (deformation-life). In the second case, the voltage is controlled and one result is a σ-Ν curve (life-tension).

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2/5 [004] Os equipamentos comumente utilizados nestes dois tipos de ensaios de fadiga são mecânicos ou servo-hidráulicos. Os equipamentos mecânicos mais utilizados nos ensaios de fadiga com o controle dos deslocamentos são construídos com excêntricos giratórios. A amplitude de deslocamento é estabelecida pelo tamanho da excentricidade e a frequência de carregamento é dada pela rotação do excêntrico. Outro tipo de equipamento muito comum é o utilizado nos ensaios de flexão rotativa, que neste caso, o controle é realizado pelo carregamento externo que gera tensões normais com variação senoidal no tempo. Os equipamentos servo-hidráulicos envolvem o movimento de um pistão hidráulico, cujo deslocamento ou carga sofrida são monitorados continuamente por sensores de deslocamento ou força cujo sinal é utilizado para efetuar o controle do sistema da pressão do sistema hidráulico (carregamento no corpo de prova). Tais equipamentos podem ser apreciados em catálogos de seus fabricantes, tais como a MTS (Materials Testing System USA) ou INSTRON (USA).2/5 [004] The equipment commonly used in these two types of fatigue tests are mechanical or servo-hydraulic. The mechanical equipment most used in fatigue tests with displacement control are built with rotary cams. The amplitude of displacement is determined by the size of the eccentricity and the frequency of loading is given by the rotation of the eccentric. Another very common type of equipment is that used in rotational flexion tests, in which case the control is performed by external loading that generates normal voltages with sinusoidal variation in time. The servo-hydraulic equipment involves the movement of a hydraulic piston, whose displacement or load suffered are monitored continuously by displacement or force sensors whose signal is used to control the pressure system of the hydraulic system (loading in the specimen). Such equipment can be seen in the manufacturers' catalogs, such as MTS (Materials Testing System USA) or INSTRON (USA).

[005] Os equipamentos mecânicos para realização de ensaios de fadiga normalmente são construtivamente mais simples, de manutenção relativamente barata e muito conhecidos na literatura, porém são limitados com relação à variação da amplitude do carregamento durante o ensaio. Já os equipamentos servo-hidráulicos são muito versáteis, e podem realizar vários tipos de ensaios de fadiga (controlando os deslocamentos ou os carregamentos), inclusive aqueles com variação de amplitude ao longo do tempo do ensaio. Por outro lado, estes equipamentos servo-hidráulicos são máquinas muito caras com operação e manutenção complexas. Os ensaios realizados com este equipamento são[005] Mechanical equipment for carrying out fatigue tests is usually constructively simpler, relatively inexpensive to maintain and is well known in the literature, however they are limited in relation to the variation in the loading amplitude during the test. Servo-hydraulic equipment is very versatile, and can carry out various types of fatigue tests (controlling displacements or loads), including those with variation in amplitude over the test time. On the other hand, these servo-hydraulic equipment are very expensive machines with complex operation and maintenance. The tests performed with this equipment are

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3/5 assim, extremamente dispendiosos, pois ensaios típicos de fadiga são de longa duração e para elaborar a curva de vida característica (ε-Ν ou σ-Ν) é necessário o ensaio de diversos corpos de prova.3/5 therefore, extremely expensive, since typical fatigue tests are long lasting and to elaborate the characteristic life curve (ε-Ν or σ-Ν) it is necessary to test several specimens.

[006] Independente do sistema de acionamento (mecânico, servohidráulico ou elétrico), a maioria das máquinas de fadiga para torção que estão disponíveis comercialmente utiliza o controle do deslocamento angular de uma extremidade do corpo de prova como parâmetro de carga. O torque no corpo de prova é gerado pela rotação de uma das suas extremidades. No presente invento, o torque que atua no corpo de prova é oriundo de duas fontes: o torque inicial (torque médio) que aparece com a pré-tensão das molas de tração e a outra parcela que tem origem no desbalanceamento rotativo.[006] Regardless of the drive system (mechanical, servo-hydraulic or electric), most commercially available torsion fatigue machines use the control of the angular displacement of one end of the specimen as a load parameter. The torque in the specimen is generated by the rotation of one of its ends. In the present invention, the torque acting on the specimen comes from two sources: the initial torque (average torque) that appears with the pre-tension of the traction springs and the other part that originates from the rotary imbalance.

[007] A presente invenção refere-se a “Máquina de Fadiga para Torção Baseada em Desbalanceamento Rotativo” para o uso em ensaios de fadiga com carregamento de torção. Sua principal característica de funcionamento é a aplicação da carga variável no tempo por meio de desbalanceamento rotativo.[007] The present invention relates to "Torsional Fatigue Machine Based on Rotary Unbalance" for use in fatigue tests with torsion loading. Its main operating characteristic is the application of the variable load over time by means of rotary unbalance.

[008] O objeto do presente pedido de patente fica mais evidente na descrição detalhada que se segue e nos desenhos anexos, nos quais:[008] The object of the present patent application is more evident in the following detailed description and in the attached drawings, in which:

[009] A Figura 1 apresenta uma vista em perspectiva da máquina e seus componentes principais.[009] Figure 1 presents a perspective view of the machine and its main components.

[010] A Figura 2 apresenta o detalhe do sistema de acionamento da máquina(1) de torção.[010] Figure 2 shows the detail of the drive system of the torsion machine (1).

[011] A Figura 3 apresenta o esquema de geração do torque no corpo de prova.[011] Figure 3 shows the torque generation scheme in the specimen.

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4/5 [012] A ‘Máquina de Fadiga para Torção Baseada em Desbalanceamento Rotativo” é acionada por um motor elétrico(11) com velocidade controlada por um inversor de frequência. Para evitar flutuações indesejadas da rotação durante o ensaio, o movimento rotativo é transmitido para o disco rotativo(14), com o uso de duas polias(12) sincronizadoras igualmente e uma correia dentada(13). No disco rotativo(14) é fixada uma massa(31) desbalanceada.4/5 [012] The ‘Rotational Unbalance Torsion Fatigue Machine” is driven by an electric motor (11) with speed controlled by a frequency inverter. To avoid unwanted fluctuations in rotation during the test, the rotary movement is transmitted to the rotating disc (14), using two synchronizing pulleys (12) and a toothed belt (13). An unbalanced mass (31) is attached to the rotating disc (14).

[013] Em uma das extremidades do eixo onde é fixado o disco rotativo(14) estão montados dois rolamentos radiais que são utilizados para acoplar o eixo no mancal(22) que é parte integrante do braço(2). A outra extremidade do braço(2) é acoplada ao eixo de fixação dos corpos de prova(16). O corpo de prova é fixado pelas garras(33). A haste(21) também é rigidamente acoplada ao eixo de fixação dos corpos de prova e em sua extremidade são montadas duas molas(15) helicoidais de tração que são utilizadas para regular a pré-tensão do ensaio. O ajuste da pré-tensão é realizado por parafusos(35). O eixo móvel onde são fixados os corpos de prova é montado no mancal(22) utilizando dois rolamentos radiais para eliminar a transmissão de esforços de flexão no corpo de prova. Esta mesma montagem é utilizada no mancal(22) para o eixo engastado no torquímetro(17). O conjunto formado pelo torquímetro(17), o mancal(22), o apoio rígido(34) e o eixo de engaste do corpo de prova é montado no cabeçote(18) que desliza sobre guias(19). O deslizamento permite posicionar e fixar diferentes tamanhos de corpos de prova.[013] Two radial bearings are mounted on one end of the shaft where the rotating disc (14) is attached, which are used to couple the shaft to the bearing (22) which is an integral part of the arm (2). The other end of the arm (2) is attached to the specimen fixation axis (16). The specimen is fixed by the claws (33). The rod (21) is also rigidly coupled to the specimen fixation axis and at its end two helical traction springs (15) are used to regulate the pre-tension of the test. The pre-tension adjustment is carried out using screws (35). The movable shaft where the specimens are fixed is mounted on the bearing (22) using two radial bearings to eliminate the transmission of bending forces in the specimen. This same assembly is used on the bearing (22) for the shaft embedded in the torque wrench (17). The set formed by the torque wrench (17), the bearing (22), the rigid support (34) and the specimen's crimping shaft are mounted on the head (18) that slides on guides (19). The slide allows you to position and fix different sizes of specimens.

[014] No sistema de geração do torque alternado no corpo de prova(16), a massa(31) m fixada no raio externo do disco rotativo(14), r, gera a força de amplitude(40) F=mrcú² quando o disco rotativo(14) gira com velocidade angular[014] In the alternating torque generation system in the specimen (16), the mass (31) m fixed in the external radius of the rotating disk (14), r, generates the amplitude force (40) F = mrcú ² when the rotating disc (14) rotates at an angular speed

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5/5 ω [rad/s]. Esta força pode ser mais bem visualizada no esquema da Fig. 3 e a sua componente(41) Ft=Fxcos(mt) produz o torque no eixo do corpo de prova(16), T=FtxLb=Fxcos(mt)xLb. A componente Fr não gera nenhum torque no eixo do corpo de prova(16). Como -Kcos(mt)^1, então o torque gerado pela massa desbalanceada varia desde -mrm²Lb até mrm²Lb. As molas(15) de tração que aparecem na Figura 1 também podem gerar torque constante no eixo do corpo de prova(16) e o seu valor é dado pelo produto da força resultante nas molas(15) de tração pelo comprimento da haste(21). A amplitude da força nas molas(15) é controlada por parafusos(35) de ajuste da pré-tensão. O torque é monitorado com o torquímetro(17) de reação que é acoplado em uma das extremidades do corpo de prova(16). O torquímetro(17) é utilizado para torque máximo de 15 [Nm] e este valor define a capacidade de operação do equipamento. O sistema utilizado para produzir o torque alternado que atua no corpo de prova(16) pode realizar ensaios com amplitude de torque constante ou variável. Os torques com amplitudes variáveis são obtidos com o controle da velocidade angular do motor elétrico(11). As duas molas(15) de tração permitem controlar o valor da pré-tensão e realizar ensaios com tensão média não nula em ambas as direções de torque.5/5 ω [rad / s]. This force can best be seen in the diagram in Fig. 3 and its component (41) Ft = Fxcos (mt) produces the torque on the axis of the specimen (16), T = FtxLb = Fxcos (mt) xLb. The Fr component does not generate any torque on the specimen axis (16). As -Kcos (mt) ^ 1, then the torque generated by the unbalanced mass varies from -mrm ² Lb to mrm ² Lb. The traction springs (15) shown in Figure 1 can also generate constant torque on the specimen axis (16) and their value is given by the product of the resultant force on the traction springs (15) over the length of the rod (21) ). The amplitude of the force on the springs (15) is controlled by screws (35) for adjusting the pre-tension. The torque is monitored with the reaction torque wrench (17) that is coupled to one end of the specimen (16). The torque wrench (17) is used for a maximum torque of 15 [Nm] and this value defines the equipment's operating capacity. The system used to produce the alternating torque acting on the specimen (16) can perform tests with constant or variable torque amplitude. Torques with variable amplitudes are obtained by controlling the angular speed of the electric motor (11). The two tension springs (15) allow you to control the pre-tension value and perform tests with non-zero mean tension in both torque directions.

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Claims

1. 'FATIGUE MACHINE FOR TORSION BASED ON ROTATING UNBALANCING ”of fatigue test for torsion, with the torque generated in the specimen axis being caused by a rotary imbalance characterized by the movement of the unbalanced rotating disk (14) which is driven by electric motor (11) with the use of two pulleys (12) and a toothed belt (13) that generates an alternating torque on the shaft of the specimen (16) by means of an arm (2) and a bearing (22) where in this one end of the specimen (16) is fixed by the claws (33).

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