CS234492B1 - Zařízeni pro zkoušení únavy materiálu, zejména neizotermické nízkocyklové únavy materiálu - Google Patents

Abstract

Účelem vynálezu je umožnění volby pozitivního tepelné mechanického zatěžovaciho cyklu a použití stejné metody zkoušeni a vyhodnoceni jako v případě zkoušek izotermické únavy. Podstatou vynálezu je, že výstup operačního zesilovače (11) signálu termočlánku (8) je napojen prostřednictvím vstupního odporu " (14) na invertující vstup operačního zesilovače (15) signálu snímače (23) deformace.

Description

Vynález se týká zařízení pro zkoušení /Zejména neizotermické nízkocyklové únavy materiálu.

Zkoušky neizotermické nebo tepelné únavy jsou obvykle prováděny podle zažité Goffinovy metody, to je tak, že požadované elastoplastické deformace je dosahováno pevným vetknutím zkušebního tělíska do tuhého rámu a jeho cyklickým ohřevem a ochlazováním. Velikost elastoplastické deformace je určována velikostí rozkmitu teploty nebo-li změnou její maximální nebo minimální hodnoty v zatěžovacím deformačním cyklu a omezením různé velikosti roztažnosti vzorku v tuhém rámu. Nevýhodou tohoto způsobu je především velmi obtížné stanovení skutečné mechanické deformace s uvážením rozložení teploty podél zkoušeného vzorku. Další nevýhodou je možnost změny velikosti cyklické deformace pouze změnou minimální nebo maximální teploty v zatěžovacím cyklu. Konečně je nevýhodou i možnost provedení pouze negativního tepelněnapětového cyklu, kdy k maximální tahové deformaci dochází při minimální teplotě tepelně napěťového cyklu.

V » X

Uvedené nedostatky a nevýhody odstraňuje v podstatě vynález, kterým je zařízení pro zkouše^TSe^ménaiieizotermické nízkocyklové únavy materiálu, sestávající ze dvou upínacích hlav pro uchycení konců zkušebního vzorku spojených mechanicky s dynamometrem a servopohonem, jehož servoventil je spojen s elektrickým výstupem řídícího zesilovače, dále z termočlánku pro měření teploty vzorku napojeného prostřednictvím prvních dvou vstupních odporů na vstupy prvního operačního zesilovače, a konečně ze snímače deformace vzorku, jehož elektrický výstup je prostřednictvím třetího vstupního odporu spojen s invertujícím vstupem druhého operačního zesilovače, na který je zároveň napojen výstup prvního stavitelného zdroje statického napětí, výstup druhého operačního zesilovače je spojen jednak s registračním zařízením napojeným na dynamometr, a jednak se vstupem ; řízené veličiny řídícího zesilovače, přičemž neinvertující vstup druhého operačního je ukostřen a mezi výstupy operačních zesilovačů a jejich invertující vstupy jsou zapojeny zpětnovazební odpory, a jeho podstata spočívá v tom, že výstup prvního operačního zesilovače je napojen prostřednictvím čtvrtého vstupního odporu na invertující vstup druhého operačního zesilovače.

Další podstatou vynálezu je, že mezi prvním operačním Zesilovačem a čtvrtým vstupním odporem je zařazen třetí operační zesilovač tak, že jeho invertující vstup je zapojen na výstup prvního operačního zesilovače prostřednictvím pátého vstupního odporu, jeho neinvertující vstup je ukostřen a jeho výstup je zapojen jednak na čtvrtý

- 2 234 492 vstupní odpor a jednak prostřednictvím zpětnovazebního odporu na svůj invertující vstup, který je prostřednictvím šestého vstupního odporu připojen%ýstup bloku pro eliminaci střídavé složky signálu termočlánku, jehož vstup je vodivě spojen se vzorkem.

Další podstatou vynálezu je, že na invertující vstup druhého operačního zesilovače je prostřednictvím čtvrtého vstupního odporu zapojen vstup předzesilovaoe, jehož výstup je zapojen na vstup řídící veličiny řídícího zesilovače·

Další podstatou vynálezu je, že blok pro eliminaci střídavé složky signálu termočlánku sestává ze sedmého vstupního odporu napojeného na vstupní svorku prvního přepínače, jehož první výstupní svorka je spojena s invertujíoím vstupem čtvrtého operačního zesilovače a jeho druhá výstupní svorka je spojena s invertuj ícím vstupem pátého operačního zesilovače, výstup čtvrtého operačního zesilovače je prostřednictvím osmého vstupního odporu spojen s invertuj ícím vstupem pátého operačního zesilovače, na který je zároveň připojen výstup druhého stavitelného zdroje statického napětí, -neinvertující vstupy těchto operačních zesilovačů jsou úkostřeny, přičemž mezi jejich výstupy a invertujíčími vstupy jsou zapojeny zpětnovazební odpory·

Další podstatou vynálezu je, že předzesilovač sestává z devátého vstupního odporu napojeného na vstupní svorku druhého přewstuoni pínače, jehož prvná/Bvorka je spojena s invertuj ícím vstupem šestého operačního zesilovače a jeho druhá výstupní svorka je spojena s invertujíoím vstupem sedmého operačního zesilovače, výstup šestého operačního zesilovače je prostřednictvím desátého vstupního odporu spojen s invertujícím vstupem sedmého operačního zesilovače, na který je zároveň připojen výstup třetího stavitelného zdroje statického napětí, neinvertující vstupy těchto operačních zesilovačů jsou ukostřeny, přičemž mezi jejich výstupy vstupy jsou zapojeny zpětnovazební odpory· invertujíoími y pozitivního 4ti použití stejoušek izotermické

Vyšší účinek vynálezu spočívá v možnosti volb tepelně mechanického zatěžovacího cyklu a v možno né metody zkoušení a vyhodnocení jako v případě zk nízkocyklové únavy.

Příklad konkrétního provedení vynálezu je sc na připojeném výkrese představujícím blokové schéty vynálezu.

hematicky znázorněn a zařízení podle

- 3 234 492

Zařízení podle vynálezu sestává ze dvou upínacích hlav £, 2, mezi nimiž je upnut zkušební vzorek χ, přičemž například horní upínací hlava i je mechanicky spojena s dynamometrem £ a spodní upínací hlava 2 s pístem 2 servopohonu Hlavy £, 2 jsou dále vodivě spojeny s výstupem výkonového transformátoru £. K povrchu vzorku J je připájen termočlánek 8, jehož vývody jsou připojeny prostřednictvím prvního a druhého vstupního odporu 9, 10 na vstupy prvního operačního zesilovače 11. Výstup prvního operačního zesilovače 11 je spojen prostřednictvím třetího vstupního odporu 12 s invertujícím vstupem druhého operačního zesilovače 13. Výstup druhého operačního zesilovače 13 je prostřednictvím čtvrtého vstup ního odporní 14 spojen s invertujícím vstupem třetího operačního zesilovače iSr na který je zároveň připojen výstup prvního stavitelného zdroje 16 statického napětí. Výstup třetího operačního zesilovače 15 je spojen se zapisovačem 17 napojeným zároveň na výstup dynamometru £, Výstup dynamometru £ je dále spojen se vstupní svorkou první části 18 trojitého dvoupolohového spřaženého přepínače 19. jejíž první výstupní svorka 20 je volná a její druhá výstupní svorka 21 je spojena prostřednictvím proměnného vstupního odporu 22 s invertujícím vstupem třetího operačního zesilovače 15. K vzorku 2 j® dále mechanicky připevněn snímač 23 podélné deformace, jehož výstup je spojen se vstupní svorkou druhé části 24 spřaženého přepínače 19. jejíž první výstupní svorka 25 je spojena prostřednictvím pátého vstupního odporu 26 s invertujícím vstupem třetího operačního zesilovače 15 a její druhá výstupní svorka 27 je volná. Ke vzorku £ dále může být připevněn snímač 28 příčné deformace, jehož výstup je připojen ke vstupní svorce třetí části 29 spřaženého přepínače 19. jejíž první výstupní svorka 30 je volná a její druhá výstupní svorka 31 je propojena s první výstupní svorkou 25 druhé části 24 spřaženého přepínače 19. Spodní upínací hlava 2 je uzemněna. Horní upínací hlava i je připojena na vstup bloku 32 pro eliminací střídavé složky signálu, sestávajícího ze šestého vstupního odporu 33 připojeného ke vstupní svorce prvního přepínače 34. jehož první výstupní svorka 35 je spojena s investujícím vstupem čtvrtého operačního zesilovače 36 a jeho druhá výstupní svorka 37 je spojena s invertujícím vstupem pátého operačního zesilovače 38. Výstup čtvrtého operačního zesilovače 36 je prostřednictvím sedmého vstupního odporu 39 spojen s invertujícím vstupem pátého operačního zesilovače 38. na který je zároveň připojen výstup druhého stavitelného zdroje 40 statického napětí, zatímco výstup bloku 32 pro eliminaci střídavé složky signálu

- 4 - ^{234 492} tvořený výstupem pátého operačního zesilovače 38 je prostřednictvím osmého vstupního odporu 41 spojen a invertujícím vstupem druhého operačního zesilovače 13. Výstup druhého operačního zesilovače 13 je připojen na vstup předzesilovače 42. sestávajícího z devátého vstupního odporu 43 připojeného ke vstupní svorce druhého přepínače 44. jehož první výstupní svorka 45 je spojena s invertujícím vstupem šestého operačního zesilovače 46 a jeho druhá výstupní svorka 47 je spojena s invertujícím vstupem sedmého operačního zesilovače £8. Výstup šestého operačního zesilovače 46 je prostřednictvím desátého vstupního odporu £2 spojen s invertujícím vstupem sedmého operačního zesilovače 48. na který je zároveň připojen výstup třetího stavitelného zdroje 50 statického napětí, zatímco výstup předzesilovače 42 tvořený výstupem sedmého operačního zesilovače 48 je zapojen na vstup řídícího zesilovače 51. Na vstup řídícího zesilovače 51 je připojen rovněž výstup třetího operačního zesilovače 15. Výstup řídícího zesilovače 51 je připojen na vstup servoventilu 52 servopohonu £.

S výjimkou prvního operačního zesilovače 11 jsou neinvertující vstupy všech ostatních operačních zesilovačů 13. 15. 36. 38. 46.

ukostřeny. Výstupy všech operačních zesilovačů 11. 13. 15. 36. J8, j6, iB jsou prostřednictvím proměnných zpětnovazebních odporů 53. 21» 35. 56. 57. 58. 59 spojeny se svými invertujíčími vstupy.

Před zahájením zkoušky se mezi hlavy 1, 2 upne zkušební vzorek 2 ⁸ upevněným termočlánkem 8 a snímačem 23. 28 podélné nebo příčné deformace. Nato se zařízení připojí na příslušné neznázorněné zdroje energie a pomocí stavitelných zdrojů 16, £0, 50 statického napětí se vynuluje. V případě měření snímačem 23 podélné deformace je spřažený přepínač 19 ve své horní poloze. Po připojení transformátoru £ na neznázoraěný zdroj střídavého napětí se zkušební vzorek 2 začne zahřívat. Termočlánek 8 sleduje jeho teplotu na svém výstupu ve formě zvyšujícího se rozdílu napětí zesíleného prvním operačním zesilovačem 11. Vzhledem k tomu, že póly termočlánku 8 nelze ke vzorku 2připájet přesně ve stejné příčné rovině obsahuje toto napětí vlivem použití střídavého proudu k ohřevu vzorku 2 střídavou složku. Aby tato střídavá složka nenamáhala zbytečně další připojené bloky, zejména zapisovač 17 a servopohon £, je ji nutno odstranit. Toho se dosahuje blokem 32 pro eliminaci střídavé složky signálu, kde se prvním přepínačem zvolí opačná polarita této střídavé složky a druhým stavitelným zdrojem 40 statického napětí se odstraní případná statická “ 5 - 234 492 složka napětí. Zpětnovazebním odporem 57 pátého operačního zesilovače 22.» případně i zpětnovazebním odporem 56 čtvrtého operačního zesilovače 36 se nastaví výsledná úroveň střídavého napětí na výstupu pátého operačního zesilovače 38 na úroveň střídavé složky napětí na výstupu prvního operačního zesilovače 11, čímž se toto napětí vzhledem k jejich opačným polaritám vyruší. Takto vyhlazený signál nesoucí informaci o teplotě vzorku 2 á^e dále zesílen druhým operačním zesilovačem 13.

Vlivem ohřevu vzorku 2 dojde jednak v rámci vůlí a pružnosti mechanických dílů k prodloužení vzorku 2 a snímač 23 podélné deformace vysílá signál úměrný této deformaci na vstup třetího operačního zesilovače 12» ^a jednak ke vzniku tlakové síly, kdy dynamometr 4. vysílá signál úměrný této síle do zapisovače 17. Údaj snímače 23 podélné deformace obsahuje tedy součet prodloužení od ohřevu a zkrácení vzorku 2 °d tlakové síly. Pro vyhodnocení závislosti prodloužení na osové síle je však třeba údaj o prodloužení bez vlivu jeho tepelné roztažnosti. Toto se děje na invertujícím vstupu třetího operačního zesilovače 15. kde se od celkového údaje snímače 23 podélné deformace odečte výstupní napětí druhého operačního zesilovače 12» kdy celkové zesílení je nastaveno předem prvním a druhým operačním zesilovačem 11, 13 při cejchování a to pomocí zpětnovazebních odporů 53» 54 prvního a druhého operačního zesilovače 11, 13 tak, aby výstupní napětí druhého operačního zesilovače 13 odpovídalo úrovni podílu signálu teplotní deformace. Vynulování se provádí prvním stavitelným zdrojem 16 statického napětí při nulovém zatížení vzorku 2· Signál odpovídající podélné deformaci je po zesílení třetím operačním zesilovačem 15 jednak registrován zapisovačem 17 a jednak vstupuje jako řízená veličina do řídícího zesilovače 51. Na druhý vstup řídícího zesilovače 51 lze přivádět řídící signál z libovolného zdroje. Vzhledem k požadavku reprodukovatelnosti zkoušky je však vhodné využít v

jako řídící veličinu údaj o teplotě, nebot jde o neizotermické zkoušky. Signál o teplotě vzorku 2 odebraný z výstupu druhého operačního zesilovače 13 se předzesilovačem 42 upraví tak, že se nejprve druhým přepínačem 44 zvolí pozitivní nebo negativní souběh zatížení a teploty, symetričnost zatěžovacího cyklu se nastaví pomocí třetího stavitelného zdroje 50 statického napětí a hodnoty zatížení se nastaví zpětnovazebním odporem 59 sedmého operačního zesilovače 48« respektive zpětnovazebními odpory 58.

šestého a sedmého operačního zesilovače 46, 48. Řídící zesilovač 51 na základě zjištěného rozdílu napětí na svých vstupech

- 6 234 492 působí na servoventil 52 ovládající servopohon 6 v tom smyslu, aby se tento rozdíl napětí vyrovnával na nulu. Takto je zajištěno, že deformace vzorku J sleduje podle zvoleného průběhu teploty, přičemž průběh změn teploty vzorku J lze naprogramovat podle předepsaných podmínek zkoušky·

V případě měření snímačem 28 příčné deformace se spřažený přepínač 19 přepne do spodní polohy, čímž se od invertujíčího vstupu třetího operačního zesilovače 15 odpojí snímač 23 podélné deformace, místo něj se připojí na tento vstup snímač 28 příčné deformace spolu s výstupem dynamometru £. Proměnným vstupním odporem 22 lze nastavit signál dynamometru £ na takovou úroveň, že výsledný součet těchto dvou složek odpovídá signálu snímače 23 podélné deformace, nebot platí, že podélná deformace je úměrná příčné deformaci a příslušnému mechanickému napětí.

Zařízení podle vynálezu může být. dále použito i se stejnosměrným nebo jiným ohřevem vzorku čímž odpadne jak blok 32 pro eliminaci střídavé složky signálu, tak i příslušný druhý operační zesilovač 13. Výstup prvního operačního zesilovače 11 se připojí přímo na čtvrtý vstupní odpor 14. jak je na obrázku znázorněno čárkovaně. Vynálezu může být využito například i pro izotermické zkoušky materiálu·

Claims (5)

1. Zařízení pro zkoušeni?zejména neizotermické nízkooyklové únavy materiálu, sestávající ze dvou upínacích hlav pro uchycení konců zkušebního vzorku spojených mechanicky s dynamometrem a servopohonem, jehož servoventil je spojen s elektrickým výstupem řídícího zesilovače, dále z termočlánku pro měření teploty vzorku napojeného prostřednictvím prvních dvou vstupních odporů na vstupy prvního operačního zesilovače, a konečně ze snímače deformace vzorku, jehož elektrický výstup je prostřednictvím třetího vstupního odporu spojen s invertujícím vstupem druhého operačního zesilovače, na který je zároveň napojen výstup prvního stavitelného zdroje statického napětí, 'výstup druhého operačního zesilo vače je spojen jednak s registračním zařízením napojeným na dynamometr, a jednak se vstupem řízené veličiny řídícího zesilovače, přičemž neinvertující vstup druhého operačního je úkostřen a mezi výstupy operačních zesilovačů a jejich invertující vstupy jsou zapojeny zpětnovazební odpory, a jeho podstata spočívá v tom, že výstup prvního operačního zesilovače (11) je napojen prostřednictvím čtvrtého vstupního odporu (14) na invertující vstup druhého operačního zesilovače (15)·

2. Zařízení podle bodu 1, vyznačující se tím, že mezi prvním operačním zesilovačem (11) a čtvrtým vstupním odporem (14) je zařazen třetí operační zesilovač (13) tak, že jeho invertující vstup je zapojen na výstup prvního operačního zesilovače (ll) prostřednictvím pátého vstupního odporu (12), jeho neinvertující vstup je úkostřen a jeho výstup je zapojen jednak na čtvrtý vstupní odpor (14) a jednak prostřednictvím zpětnovazebního odporu (54) na svůj invertující vstup, který je prostřednictvím šestého vstupního odporu (41) připoj en/^rýstup bloku (32) pro eliminaci střídavé složky signálu termočlánku (8), jehož vstup je vodivě spojen se vzorkem (3).

3. Zařízení podle bodů 1 nebo 2, vyznačující se tím, že na invertující vstup druhého operačního zesilovače (15) je prostřednictvím čtvrtého vstupního odporu (14) zapojen vstup předzesilovace (42), jehož výstup je zapojen na vstup řídící veličiny řídícího zesilovače (51)·

- 8 234 492

4. Zařízení podle bodu 2, vyznačující se tím, že blok (32) pro eliminaci střídavé složky signálu termočlánku (8) sestává ze sedmého vstupního odporu (33) napojeného na vstupní svorku prvního přepínače (34), jehož první výstupní svorka (35) je spojena s invertujíoím vstupem čtvrtého operačního zesilovače (36) a-jeho druhá výstupní svorka (37) je spojena s invertujícím vstupem pátého operačního zesilovače (38), výstup čtvrtého operačního zesilovače (36) je prostřednictvím osmého vstupního odporu (39) spojen s invertujíoím vstupem pátého operačního zesilovače (38), na který je zároveň připojen výstup druhého stavitelného zdroje (40) statického napětí, neinvertující vstupy těchto operačních zesilovačů (36, 38) jsou ukostřeny, přičemž mezi jejich výstupy a invertujíčími vstupy jsou zapojeny zpětnovazební odpory (56, 57).

5. Zařízení podle bodu 3, vyznačující se tím, že předzesilovač (42) sestává z devátého vstupního odporu (43) napojeného na vstupní svorku druhého přepínače (44), jehož první výstupní svorka (45) je spojena s invertujíoím vstupem šestého operačního zesilovače (46) a jeho druhá výstupní svorka (47) je spojena s invertují cím vstupem sedmého operačního zesilovače (48), výstup šestého operačního zesilovače (46) je prostřednictvím desátého vstupního odporu (49) spojen s invertujíoím vstupem sedmého opev račního zesilovače (48), na který je zároveň připojen výstup třetího stavitelného zdroje (50) statického napětí, neinvertující vstupy těchto operačních zesilovačů (46, 48) jsou ukostřeny, přičemž mezi jejich výstupy a invertujícími vstupy jsou zapojeny zpětnovazební odpory (58, 59).