CS261779B1 - Zařízeni pro studium tlakového creepu při konstantním tlakovém napětí - Google Patents

Abstract

Zařízení spadá do oblasti měřicí techniky a je využitelné ve strojírenství, chemickém, hutním a elektrotechnickém průmyslu. Konstrukční uspořádání je řešeno tak, že v rámu je uloženo závaží zavěšené na laně, které je přes nejméně jednu kladku připevněno k vodorovnému trnu, opatřenému prvním kotoučem a prvním čepem, na němž je uložen horní konec vzpěry, uložené šikmo proti tahu lana pod úhlem v rozmezí 100 až 170°, přičemž dolní konec vzpěry je uložen na druhém čepu, upevněném ve svislém trnu, opatřeném druhým kotoučem a elektromagnetickým snímačem posuvu, zatímco pod dolním koncem svislého trnu je uložena kovadlina s výškově nastavitelnou pracovní plošinou, přičemž rovnoběžně . s vodorovným trnem a svislým trnem jsou vytvořeny vodorovné stupnice a svislá stupnice, na něž dosedá první kotouč a druhý kotouč.

Description

Vynález se týká zařízení pro studium tlakového creepu při konstantním tlakovém napětí. Zařízení je možno konstruovat jako stolní laboratorní zařízení a je použitelné zejména pro studium vzorků slitin hliníku a zinku za podmínek, kdy tlaková síla působící na vzorek roste stejným způsobem jako roste průřez vzorku při jeho stlačení.

V odborné a firemní literatuře jsou popsána různá zařízení, která splňují podmínku konstantního tlakového napětí při studiu tlakového creepu, ale tato zařízení jsou vesměs investičně, prostorově a hmotnostně náročná, takže nevyhovují požadavku relativně malého, tedy stolního laboratorního zařízení.

Popsaná zařízení jsou v podstatě konstruována na tom principu, že se měří současně stlačeni a tlaková síla a ke každému stavu stlačení je naprogramována adekvátní tlaková síla, které se dociluje servomechanismem, spřaženým s měřičem tlakové síly.

Nevýhody a nedostatky vpředu popsaných, dosud známých zařízení, jsou ve velké míře zmírněny nebo dokonce odstraněny zařízením pro studium tlakového creepu při konstantním tlakovém napětí podle vynálezu, jehož podstata spočívá v tom, že je tvořeno rámem, v němž je uloženo závaží, zavěšené na laně, které je přes nejméně jednu kladku připevněno k vodorovnému trnu, opatřenému prvním kotoučem a prvním čepem, na němž je uložen horní konec vzpěry, uložené šikmo proti tahu lana pod úhlem v rozmezí 100 až 170 °C, přičemž dolní konec vzpěry je uložen na druhém čepu, upevněném ve svislém trnu, opatřeném druhým kotoučem a elektromagnetickým snímačem posuvu, zatímco pod dolním koncem svislého trnu je uložena kovadlina s výškově nastavitelnou pracovní plošinou, přičemž rovnoběžně s vodorovným trnem a svislým trnem jsou vytvořeny vodorovná stupnice a svislá stupnice, na něž dosedá první kotouč a druhý kotouč.

Zařízení podle vynálezu vykazuje řadu výhodných vlastností, potřebných pro úspěšné studium tlakového creepu slitin hliníku a zinku, popřípadě jiných slitin. Především je nutno uvést nejdůležitější výhodu zařízení podle vynálezu a tou je skutečnost, že na zařízení lze studovat tlakový creep za podmínek konstantního tlakového napětí, nebot tlaková síla působící na vzorek roste stejným způsobem, jako roste průřez vzorku při jeho stlačeni.

Další důležitou výhodou je možnost provádění experimentu se vzorkem při pokojové teplotě a při zvolené teplotě, zajištěné teplotou termostatované lázně, do níž lze vzorek ponořit v nejkratši možné době. Bezprostřední styk tepelně malokapacitního systému, to znamená kovadliny, vzorku a čela tlakového svislého pistu s termostatovanou kapalinou, dovoluje rychlé dosažení pracovní teploty.

Další důležitou výhodou zařízeni dle vynálezu je jeho malá hmotnost, malé rozměry, jednoduchá výrobní technologie a vlivem toho malé pořizovací a udržovací náklady. Zařízení patří do kategorie tak zvaných stolních zařízení, která jsou přemístitelná bez potíží a jež nejsou náročná na prostor.

Podstata vynálezu je v dalším popise objasněna pomoci výkresu, na nichž je znázorněno: na obr. 1 - schematický konstrukční princip zařízení, na obr. 2 - diagram silových poměrů v zařízení, na obr. 3 - diagram závislosti silového poměru P_F na hodnotě sin = b_n, na obr. 4 - diagram závislosti poměru Pg na hodnotách h^,Ab_n' ^{na obr}· 5 - diagram závislosti hodnoty Pf na hodnotě b^, na obr. 6 - diagram závislosti hodnot procentuálních rozdílů poměrů P_ a p„ na hodnotách b_, na obr. 7 - diagram závislosti procentuálního rozdílu poměru Pj,£^H a P si + Ki na hodnotě bn·

Na obr. 1 je znázorněno zařízení vytvořené z nosného rámu 100, v jehož základní desce 2 je vpravo upevněn pravý sloup vlevo 2 ^a levý sloup 2· ^Na pravý sloup 2 3^e převlečně nasazen nástavec 24 vodorovného skříňového nosníku 18 ^a na levý sloup 2 3^e převlečně nasazen vodorovný nosník 17, který je pevně spojen s vodorovným skříňovým nosníkem 2θ· V místě spojení obou vodorovných nosníků 22» JLS. j® připevněn v pravém úhlu svislý nosník 22, k němuž je dole opět .upevněn válcový silový rám 13, který je zároveň výztuhou 33 upevněn k levému sloupu 2·

Do dutiny pravého sloupu 2 je na jeho horním konci vsunut aretovatelný čep 25 svisle posunovatelný a provlečený otvorem v horní části vodorovného skříňového nosníku 18. Cep 25 je opatřen aretačním zařízením 26 a držákem 23 první kladky £. Druhá kladka 5, jež spolu s první kladkou £ tvoří kladkostroj, je upevněna v držáku 27 na horní ploše 28 válcové části 31 nosiče £ závaží £. Nosič £ závaží £ je navlečen na pravý sloup 2, na němž je svisle pohyblivý.

Válcová část 31 nosiče £ závaží £ má menší průměr nežli dolní válcová část nosiče £ závaží £, která mají toroidnl tvar a jsou opatřena radiálním výřezem, jehož šířka odpovídá průměru válcové části 31 nosiče £ závaží £. V dolní části nosiče £ závaží £, jejíž průměr odpovídá vnějšímu průměru závaží £, je vloženo aretační zařízení 29 profixovánl nosiče £ závaží £ k pravému sloupu 2 ovládacím šroubem £0. Pevný konec 32 lana £ kladkostroje je upevněn k nástavci 24 vodorovného skříňového nosníku 18. Pohyblivý konec lana £ je po ovinu přes druhou kladku £ a přes první kladku £ upevněn ve kloubovém třmenu 49 na prvním čepu 48 prvního kotouče 47. První čep 48 je upevněn v aretovatelném vodorovném trnu £ a sice kolmo k jeho podélné ose, u jeho levého konce, který je opatřen ukazatelem 45 na vodorovné stupnici 42. jež je umístěna u přímé vodorovné dráhy 41 pro první kotouč 47 na spodní ploše vodorovného nosníku 17. První kotouč 47 na prvním čepu 48 doléhá na vodorovnou přímou dráhu 41 a vede vodorovný trn £, jehož pravý konec je vložen jednak do aretačního zařízení 19 s ovládacím šroubem 20, jednak do vodícího ložiska 21, přičemž aretační zařízení 19 a vodicí ložisko 21 jsou upevněny ve vodorovném skříňovém nosníku 18.

Na svislém nosníku 22 je upravena přímá svislá dráha 43, na kterou doléhá druhý kotouč 50 Ten je uložen na druhém čepu 51 upevněném ve svislém trnu 11, kolmo k jeho svislé ose u horního konce. Dvojkloubová vzpěra 10 je nasazena na první čep 48 a na druhý čep 51.

Válcový silový rám ££, upevněný ke svislému nosníku 22, opatřený chladicími žebry 34 a výztuhou ££, upevněný k levému sloupu £, obsahuje ložisko 35 pro vedení svislého trnu 11, jehož dolní čelo doléhá na vzorek 12, uložený na pracovní plošině 40 na šroub 39, který je části kovadliny ££. Tento šroub 39 je zašroubován do matice 37 ve spodní části válcového, silového rámu 13. Nad maticí 37 jsou upravena ve válcovém silovém rámu 13 okénka 36 pro vkládání vzorku 12 na pracovní plošinu £0.

Nádoba 14 s termostatovanou lázní je upevněna k držáku 1£, který je pohyblivý ve svislém směru a je součásti zdvihacího zařízení 16.

Na obr. 2 je v diagramu silových poměrů v zařízeni znázorněn vektor primární sily F_p, vyvozené závažími £; tato primární síla F_p se lanem £ kladkostroje přenáší přes první kladku £ a působí na kloubový třmen 49 vodorovného trnu £. Vektor primární síly F_p svírá úhel s g osou vodorovného trnu £. Průsečík osy vodorovného trnu £ se svislým směrem působení primární síly Fp, vyvozené závažími £, určuje druhý vrchol 55 nad první kladkou £ je určen průsečíkem směru působení primární síly F_p na kloubový třmen 49 a svislého směru působení primární síly F_p, vyvozené závažími £.

Primární síla Fp, přenesená a působící na kloubový třmen 49 se rozkládá na vodorovnou složku, to znamená na sekundární sílu Fs, která působí na vodorovný trn £ a má hodnotu Fs » Fp . cos ·' , a dále na svislou složku Fk, která působí tlakem na první kotouč 47 a má hodnotu Fk « Fp . sin ξ.

Fs

V ose dvojkloubové vzpěry 10 působí terciální síla Ft, která má hodnotu Ft = přičemž úhel 'f svírá osa vzpěry 10 s osou vodorovného trnu £. Výraz určující hodnotu terciální síly Ft lze upravit do tvaru Ft = Fp . ý takže F_y s F_g = ctg neboli ^Fv “ F_fi . ctg ť F_p . cos 5 . ctg ý, neboli F_v = F_p . cos £ .tg 'f.

£ _+d

Z pravoúhlého trojúhelníku o vrcholech 49, 54, 55 vyplývá, žes cos 5—

Přitom však hodnota g (c+d) +e .

Po dosazení bude F_v » F . tg f .

c+d

F - F . ta f . .^a-^coJ T. +.a_.

^V P V (/ (c+d)2+e2

Protože hodnota c « a . cos J, je hodnota

Pro další výpočty je účelné používat hodnoty d_n a e_R normované v jednotkách d, e, takže 4_n · j a «_η ____ .

Po zavedení vztahů cos ψ V 1-sin²/, sin)^ “ g » b_n bude F_v - F_p . ' iR«,· . ^v

Fv

Poměr P_f výsledné síly F_y k primární síle F^ je roven P_p Za předpokladu zanedbání «>„ R^+dn tření v kloubech bude hodnota P_p rovna P_p rovna P_p * ί-ϊ V<^₊d²)+e²

Lze tedy nalézt závislost poměru silového P_p na hodnotě sin f » b_n pro interval úhlu od 0° do 90° pro různé hodnoty d_n, e_n zařízení.

Na obr. 3 je graficky znázorněna závislost silového poměru P_f na hodnotě sin/*' “ b_n· Hodnota P_f je vynáěena na vertikální osu, hodnota b_R na horizontální osu a sice v tisícinách jednotky a, která je geometrickou velikosti vzdálenosti prvního čepu 48 od druhého čepu 51 dvojkloubové vzpěry 10.

Hodnoty P_f jsou vyneseny parametry a<*dl.

Křivka č. 1 odpovídá parametru e - 0, křivka č. 2 odpovídá parametru e 0,6) křivka č. 3 odpovídá parametru e “ 1,0) křivka č. 4 odpovídá parametru e - 1,2) křivka č. 5 odpovídá parametrům a»l,e“l,2,d»0,8) křivka č. 6 odpovídá parametrům a 1, e > 1, d· 1,2.

Z porovnání průběhů křivek č. 1, 2, 3, 4 vyplývá, že s rostoucí hodnotou se zmenšuje poloměr křivosti křivek a zároveň se střed křivosti posunuje směrem k vyšším hodnotám b_n a nižším hodnotám P_p.

Z porovnání křivek č. 4, 5, 6 vyplývá, že poloměr křivosti se zmenšuje s klesající hodnotou a zároveň se střed křivosti pohybuje směrem k. vyěělm hodnotám b_n a k nižším hodnotám P_p.

Na obr. 4 je znázorněna závislost bezrozměrné hmoty P_, jež vyjadřuje poměr aktuálního průřezu S vzorku k jeho počátečnímu průřezu 8°, na poklesu výšky vzorku h_R popřípadě na odpovídající relativní deformaci £.

Pro vyjádřeni deformace vzorku je účelné normovat jeho rozměry, to znamená vyjádřit je v jednotkách o velikosti a. Je-li označena h^ počáteční výška vzorku h výška při relativním stalčení ^>/\h stlačení vzorku, pak platí, že nenormované hodnoty jsou: h„ “ $, h„„ ** na on o ,A_h a* ^Ahn

Relativní stlačení je dáno vár.azem: ζ, —on

Je-li V objem vzorku, S průřez vzorku při relativním stlačení a s_Q počáteční průřez, pak hodnota S ” ^eo’^hon ^so’^hon ^hon-d^hn ^So * l-₄h_n/h₀

Protože stlačení vzorku je sledováno pohybem dolního tlakového čela svislého trnu 11 platí vždy, že^h_n nezávisle na tom, při které nastavené startovací hodnotě b_on začala deformace tím, že byl vzorek přiveden stavitelnou kovadlinou s čelem svislého trnu 11. Z obr. 1 a obr.* 2 je patrné, že citlivé nastavení startovací hodnoty b_Qn se lépe a citlivěji provádí nastavením odpovídající hodnoty cos 'f , to znamená délkou c dle obr. 2.

Diagram na obr. 4 má na horizontální ose celkem tři stupnice, pro h_n»^^bn , £. Na vertikální ose je stupnice pro poměr P_g.

Na první stupnici je vynesen pokles normované výšky h_n vzorku od h_Qnj stupnice je klesající ve směru kladné osy a je vymezen interval h_Qn - 0 odpovídající velikosti počáteční výšky vzorku h__.

on

Na druhé stupnici jsou vyneseny taktéž v normovaných jednotkách hodnotyZb_n« přičemž začátek - to znamená x “ o - odpovídá dosud neznámé startovací hodnotě b on

Třetí stupnice je vzestupná a udává hodnoty příslušné relativní deformace £. « -2S—S—_f přičemž interval 0 až 1 odpovídá intervalu h_Qn - 0. Násobením hodnotou 100 se získá ^on deformace Ě- vzorku v procentech.

Má-li být během deformace zajištěno ve vzorku konstantní tlakové napětí, je nutno vyšetřit, pro které intervaly b_ni, b_nj pro danou počáteční výšku vzorku h_Qn a pro zvolenou deformaci £, jsou si funkce P_p(b_n> a P_g(4b_nl co nejvíce podobné, takže lze P_p = P_g + K^, přičemž konstanta K^ pro daný interval i, j se určí metodou nejmenších čtverců tak, aby suma čtverců rozdílu obou křivek v uvažovaném intervalu byla minimální. Potom hodnota b_R^ určuje hledanou startovací hodnotu b_on a konstanta K^ určuje posunutí křivky P_g po vertikální ose. Hodnota P_pi je startovací hodnotou funkce P_p. Jakmile je známa hodnota P_pi, lze určit hodnotu potřebné primární síly a startovací síly resp. požadovaného napětí.

Na obr. 5 jsou porovnány průběhy funkce P_pi a P_gi + K^ pro nalezené optimální intervaly ^bni' ^bnj’

Předpokladem konkrétního návrhu konstrukce je znalost vlivu geometrických parametrů zařízení na stupeň shodnosti funkcí P_p a P_g. K tomu účelu byly vybrané kombinace parametrů d_n, e_g, h_n a pro tři předpokládané stupně celkové deformace 40 t, 50 t a 60 % nalezeny metodou nejmenších čtverců příslušné intervaly b_n^, b_n^ nejlepší shodnosti křivek P_p^ j a P_g^ j + K^.

Křivka 1 odpovídá průběhu P_p pro parametry e «· 1, d 1, h 50. Křivky 2 a 3 udávají průběh funkce P_g + K^> v porovnáni s funkcí P_p pro celkovou deformaci 40 % a 60 % v optimálních intervalech. Je zřejmá dobrá kvalitativní shoda. Absolutní shodnost P_ a P v celém intervalu bý odpovídala konstantnímu zvolenému napětí O během celého experimentu. Rozdíly pořadnic pro příslušné hodnoty b_R představuji odchylky od zvolené hodnotyV bodech, v nichž P_p je větší než P_g je odchylka záporná, skutečné napětí ve vzorku je menší nežli zvolené a obráceně.

Na obr. 6 je diagram, v němž je na horizontální ose je stupnice procentuálních rozdílů hodnot P_p a P_g, v příslušných intervalech ^bn^< »_nj P^ro parametry e_n « 1, d_R » 1, h_ft « 50 a pro celkovou deformaci 40 t, 50 t a 60 t. Je patrné, že kladné odchylky od požadovaných poměrů se pro deformaci do 50 % pohybují do 0,7 % a záporné do 1 %, zatímco při deformaci 60 % je maximální kladná odchylka 0,9 % a záporná 1,8 %. Poněvadž pro většinu případů je deformace do 60 % plně postačují, lze považovat navrhovanou koncepci za uspokojivou.

Výsledky provedených porovnání průběhů P_p a P_g byly zpracovány do tabulek, z nichž vyplývá, že shodnost průběhů funkcí P_ a P_ + Kj se zlepšuje s rostoucí hodnotou e_, to znamená, že klesá hodnota střední kvadratické odchylky, zatímco se zhoršuje s rostoucím stupněm maximální deformace. Pro každých dalších 1 « deformace se střední kvadratická odchylka téměř ztrojnásobí. Shodnost průběhů je rovněž lepší směrem k vyšším vzorkům, přičemž vliv velikosti vzorku monotónně vzrůstá s hodnotou e_n·

Se stupněm maximální deformace nejprve klesá a potom roste pro všechny uvedené hodnoty e^. Maximální kladné i záporné odchylky roeotu s rostoucí hodnotou celkové deformace.

Z diagramu na obr. 6 je patrné, že pro e_n « 1,2 a pro h_n » 50 roste střední kvadratická odchylka β rostoucí hodnotou d_R a stupněm celkové deformace. Z uvedeného rozboru lze vybrat optimální hodnoty d_n a e_n, které ověem s přihlédnutím k reálným konstrukčním poměrům jsou do jisté míry omezeny.

Ovodem k popisu diagramů dle obr. 7 je nutno uvésti zdroj chyb může spočítat v nepřesnosti nastavení teoreticky vypočtené optimální hodnoty b_Qn· Bylo provedeno porovnání průběhu odchylek pro parametry d ·· 1, e 1, h 50 a pro/” “ 40 », 50 », a 60 » a to pro chybu nastavení hodnoty b_Qn o + 0,001. Tato odchylka pro zvolenou hodnotu například a · 200 mm činí 0,1 mm, jejíž vymezení je snadno splnitelný požadavek vzhledem k tomu, že nastavení délky cdle obr. 2 se provádí vodorovným trnem 9 dle obr. 1. Nastavení vypočtené hodnoty b_n ae provádí pomocí vodorovného trnu 9, který je aretovatelný a kontroluje se na svislé stupnici 44.

' Na obr. 7 odpovídá křivka 6. 1 optimálnímu intervalu b_n£, ^to znamená správné startovací hodnotě b_Qn. Křivky č. 2 a č. 3 odpovídají průběhům odchylek při nesprávném nastavení hodnoty. b_no o hodnotu + a . 10*³. uvedené rozbory platí za předpokladu, že lze zanedbat vliv tření. Z obr. 2 je patrné, že a klesající hodnotou c_R klesají síly tření a proto je výhodné, aby experiment probíhal v oblasti malých hodnot c_R. DalSím zdrojem chyb mohou být ovžem také nepřesností v mechanickém provedení rozměrů a v činnosti kloubů, to znamená při vzniku vůle v kloubech.

činnost zařízení znázorněného na obr. 1 a 2 je následující: primární aplikovaná síla Fp je vyvozena závažím 2 a přes druhou kladku 5 a přes první kladku 4, jež tvoří kladkostroj, je přenesena lanem 2 kladkostroje na kloubový třmen 49 a osou v prvním čepu 48, zasazeném do vodorovného trnu 9, přičemž na tentýž čep 48 je nasazen zároveň první kotouč 47, který se působením sekundární síly F_g, jež je vodorovnou Bložkou primární síly F^, odvaluje po vodorovné, přímé dráze 41 a posunuje vodorovný trn 9 vpravo. Svislá složka F^.primární síly Fp přitlačuje první kotouč 47 k vodorovné, přímé dráze 41. nad níž je upravena vodorovná stupnice 42. Ukazatel 45 na vodorovné stupnici 42, upevněný na levém konci vodorovného trnu 9, umožňuje stanovit jeho polohu. Aretační zařízení 19 vodorovného trnu 9 a ovládací . žroub 20 umožňuje zajištění jeho polohy.

Claims (1)

1. pRedmét vynálezu

   Zařízení pro měření tlakového creepu při konstantním tlakovém napětí, se vyznačuje tím. Ze je tvořeno rámem /100/, v němž je uloženo závaží /7/, zavěšené na laně /8/, které je přes nejméně jednu kladku /4/ připevněno k vodorovnému trnu /9/, opatřenému prvním kotoučem /47/ a prvním čepem /48/, na němž je uložen horní konec vzpěry /10/, uložené Šikmo proti tahu lana /8/ pod úhlem v rozmezí 100 až 170°, přičemž dolní konec vzpěry /10/ je uložen na druhém čepu /51/, upevněném ve svislém trnu /11/, opatřeném druhým kotoučem /50/ a elektromagnetickým snímačem /53/ posuvu, zatímco pod dolním koncem svislého trnu /11/ je uložena kovadlina /38/ s výškově nastavitelnou pracovní plošinou /40/, přičemž rovnoběžně s vodorovným trnem /9/ a svislým trnem /11/ jsou vytvořeny vodorovné stupnice /42/ a svislá stupnice /44/, na něž dosedá první kotouč /47/ a druhý kotouč /50/.