CZ20394U1 - Zařízení pro víceosé kombinované zatěžování zkušebních vzorků - Google Patents

Description

Zařízení pro víceosé kombinované zatěžování zkušebních vzorků

Oblast techniky

Technické řešení se týká zařízení pro víceosé kombinované zatěžování zkušebních vzorků, sestávající z rámu, v němž je uložena pohonná jednotka s výstupním hřídelem a čítačem počtu cyklů, k níž je připojena převodová skříň, ve které je umístěn čtyřkloubový mechanizmus, jehož kyvná páka je nasazena na hnací hřídel, který je uložen v převodové skříni a zároveň i v upínací hlavě, připojené k převodové skříni a skříně hnaného soustrojí, v níž je uložen hnaný hřídel, se setrvačníkem, který je souose uspořádán s hnaným hřídelem, opatřeným sdruženým tenzometrickým snímačem osové síly a kroutícího momentu, a kde k hnanému hřídeli je z opačné strany připojena pístnice hydraulického válce.

Dosavadní stav technikv

U dosud známých zkušebních zařízení pro namáhání vzorků především z kovového materiálu, se na vzorky působí silou, vyvozenou buď pohybovým šroubem nebo silou vyvinutou elektrohydraulickým strojem, obsahujícím tlakové Čerpadlo a hydraulický válec. Tato zařízení vyvolávají ve is zkušebních vzorcích pouze jednoosový napěťový stav. Jsou známa zkušební zařízení, která umožňují namáhat vzorek současně osovým tahem/tlakem a kroucením, ale pouze v omezeném rozsahu krutu ±50°.

Je známo zkušební zařízení ke kombinovanému namáhání vzorků podle CZ užitného vzoru, číslo zápisu 6977, které umožňuje namáhat vzorek současně osovým tahem/tlakem a kroucením. Jeho podstata spočívá v tom, že sestává ze základové desky, v níž jsou vertikálně upevněny nejméně dva nosné sloupy, spojené dvěma příčníky, z nichž jeden je opatřen rotačním a druhý přímočarým hydromotorem a dále z regulační, měřicí, registrační a vyhodnocovací jednotky, přičemž homí příčník je opatřen rotačním hydromotorem, k jehož hřídeli je připojen axiálně fixovaný průběžný hřídel, zakončený homí čelistí a dolní příčník je opatřen hydromotorem a prodlouženou rotačně fixovanou pístnicí, která je zakončena dolní čelistí a mezi oběma čelistmi je umístěn zkušební vzorek.

Dalším ze známých řešení je Přípravek pro kombinované namáhání zkušebních vzorků, zejména krutém a ohybem, připojitelným k trhacímu stroji podle CZ užitného vzoru č. 16107.

Podstatou přípravku je, že je tvořen základnou, k jejíž jedné straně je připojena pevná opěra pro pevné uchycení jednoho konce zkušebního vzorku a k opačné straně základny je souose připojena další opěra, uložená otočně pro uchycení druhého konce zkušebního vzorku. Otočná další podpěra je pro přenos síly z opěrného tmu trhacího stroje opatřena excentrickým prvkem, který tuto sílu transformuje na silovou dvojici, která je využívána ke kombinovanému namáhání zkušebních vzorků. Otočná další opěra je tvořena deskou, určenou pro připojení zkušebního vzorku, která je spojena s hřídelí, uloženou ve dvojici ložisek umístěných v domečku, spojeném se základnou a hřídel je opatřena excentrem ve tvaru hranolu, s vybráními pro umístění opěrného tmu trhacího stroje.

Uvedené technické řešení se tedy týká přípravku, který po instalaci do klasického trhacího stroje, užívaného běžně k namáhání zkušebních vzorků tahem nebo tlakem, umožňuje podrobovat zku40 Šební vzorky kombinovanému namáhání.

Mezi známá řešení patří i Kombinované zatěžování zkušebních vzorků podle CZ užitného vzoru č. 17286. Jeho podstatou je, že sestává z rámu, k němuž je připojena pohonná jednotka, s výstupním hřídelem a se snímačem otáček, z převodové skříně, v níž je situován čtyřkloubový mechanizmus, jehož kyvná páka je nasazena na hnací hřídel a skříně hnaného soustrojí, v níž je uložen hnaný hřídel se setrvačníkem, který je souose uspořádán s hnaným hřídelem, opatřeným tenzometrickým snímačem, kde mezi hnací hřídel a hnaný hřídel je uchycen zkušební vzorek, přičemž hnací hřídel, který je uložen v převodové skříni, je zároveň uložen i v upínací hlavě, připojené k převodové skříni. K hnanému hřídeli, je pak z opačné strany připojena pístnice hydraulického válce.

-1CZ 20394 Ul

Hnací hřídel ve výhodném uspořádání je v upínací hlavě uložen v axiálním ložisku a pístnice hydraulického válce je k hnanému hřídeli připojena pomocí vyrovnávací spojky.

Naměřené hodnoty, získané z tenzometrického snímače kroutícího momentu a ze snímače otáček jsou pak vyhodnocovány pomocí hardware a software počítače.

Konečně je známo Zařízení pro kombinované zatěžování zkušebních vzorků podle CZ užitného vzoru Č. 18921. Zařízení sestává z rámu, v němž je uložena pohonná jednotka s výstupním hřídelem a čítačem počtu cyklů. K ní je připojena převodová skříň, ve kteréje umístěn ětyřkloubový mechanizmus. Jeho kyvná páka je nasazena na hnací hřídel, který je uložen v převodové skříni a zároveň i v upínací hlavě, připojené k převodové skříni. Rovněž sestává ze skříně hnaného sou10 strojí, v níž je uložen hnaný hřídel, se setrvačníkem, který je souose uspořádán s hnaným hřídelem. Ten je opatřen tenzometrickým snímačem. K hnanému hřídeli je z opačné strany připojena pístnice hydraulického válce, kde mezi hnací hřídel a hnaný hřídel je situován zkušební vzorek. Podstata řešení spočívá v tom, že zkušební vzorek je jedním koncem uložen v zátěžové přetlakové soustavě, připojené k hnací hřídeli a napojené na hydraulický agregát a druhým koncem je uchycen v hnaném hřídeli.

Nevýhody všech známých zařízení lze spatřovat především v nutnosti překonávat značné technická nároky při jejich zhotovování, v přílišné komplikovanosti, ve značné prostorové náročnosti, Často i ve vysoké spotřebě elektrické energie při jejich provozu, ale zejména ve skutečnosti, že neumožňují provádět zatěžování zkušebních vzorků v kombinaci tah/tlak, cyklický kroutící mo20 ment a vnitřní/vnější přetlak. U žádného ze známých řešení nelze ve zkušebním vzorku dosáhnout tříosého napěťového stavu.

Podstata technického řešení

Uvedené nevýhody odstraňuje zařízení pro víceosé kombinované zatěžování zkušebních vzorků, sestávající z rámu, v němž je uložena pohonná jednotka s výstupním hřídelem a čítačem počtu cyklů, k níž je připojena převodová skříň, ve které je umístěn ětyřkloubový mechanizmus. Jeho kyvná páka je nasazena na hnací hřídel, který je uložen v převodové skříni a zároveň i v upínací hlavě, připojené k převodové skříni. Rovněž sestává ze skříně hnaného soustrojí, v níž je uložen hnaný hřídel, se setrvačníkem, který je souose uspořádán s hnaným hřídelem. Ten je opatřen tenzometrickým snímačem. K hnanému hřídeli je z opačné strany připojena pístnice hydraulického válce, kde mezi hnací hřídel a hnaný hřídel je situován zkušební vzorek, podle tohoto technického řešení, jehož podstata spočívá v tom, že mezi hnací hřídel a hnaný hřídel je uspořádána přetlaková komora, v níž je situován zkušební vzorek, přičemž přetlaková komora sestává z třecí spojky, k níž je připojena hydraulická kostka pro přívod vnitřního tlaku a uzavíracího pouzdra, pro přívod vnějšího tlaku, přičemž oba přívody jsou napojeny na hydraulický agregát.

Je účelné, aby na hydraulickou kostku, situovanou v přetlakové komoře, byl napojen píst, který je pro vložení do zkušebního vzorku, opatřen alespoň dvěma těsnicími elementy.

Je výhodné, aby uzavírací pouzdro pro vložení zkušebního vzorku bylo opatřeno nejméně dvěma těsnicími elementy.

Je vhodné, aby přívod vnitřního tlaku k hydraulické kostce byl opatřen snímačem tlaku.

Obdobně je rovněž vhodné, aby přívod vnějšího tlaku k uzavíracímu pouzdru byl opatřen snímačem tlaku.

Je samozřejmě rovněž výhodné, aby výstupy ze sdruženého tenzometrického snímače osové síly a kroutícího momentu, z čítače počtu cyklů a ze snímačů tlaku, byly propojeny a snímány do počítače.

Výhodou tohoto technického řešení je rychlé získávání materiálových charakteristik při víceosém zatěžování zkušebních vzorků, při proporcionálním i neproporcionálním zatěžování, dále při tvrdém a měkkém zatěžovacím cyklu, a to v oblasti vysokocyklové i nízkocyklové únavy kovových i nekovových materiálů, kde amplituda kroutícího momentu je dána soustavou zrychlení

CZ 20394 Ul hnacího hřídele čtyřkloubového mechanizmu a skládaným setrvačníkem, napojeným na přímočarý hydraulický válec.

Další výhodou je i vyvolání napěťového stavu ve zkušebním vzorku jeho zatížením konstantním nebo proměnným vnitřním a/nebo vnějším přetlakem, který je vyvozován soustavou hydraulický agregát, hydraulická kostka, píst a uzavírací pouzdro.

Nepominutelnou výhodou je možnost nastavení různého pracovního přetlaku (vnitřního a vnějšího) v obou komorách, přičemž jejich hodnoty lze v průběhu zkoušek měnit nezávisle na sobě.

Výhodu tohoto technického řešení lze dále spatřovat v jednoduchosti konstrukčního uspořádání, v provozní spolehlivosti, ve snadnosti manipulace při provádění testování zkušebních vzorků, při i o současném zajištění bezpečnosti práce.

Výhodou je získávání přesných hodnot parametrů kroutícího momentu, osové síly tah/tlak, počtu cyklů a vnitřního a vnějšího přetlaku u zkoušeného vzorku a jejich vyhodnocení prostřednictvím výpočetní techniky. V neposlední řadě je nespornou výhodou tohoto technického řešení nízká spotřeba elektrické energie na jeho provoz a tím i značná úspora nákladů.

Přehled obrázků na výkrese

Na přiloženém výkrese je schematicky znázorněno příkladné provedení zařízení pro víceosé kombinované zatěžování zkušebních vzorků, kde obr. 1 představuje jeho princip.

Příklad provedení

Zařízení pro víceosé kombinované zatěžování zkušebních vzorků, a to, osovou silou tah/tlak, cyklickým kroutícím momentem a vnitřním a vnějším přetlakem sestává z rámu 01, k němuž je připojena pohonná jednotka I, například asynchronní elektromotor s frekvenčním měničem a převodová skříň 2. K výstupnímu hřídeli JT pohonné jednotky I, je v převodové skrini 2 připojen čtyřkloubový mechanizmus 21, ovládaný Šnekovým převodem 22 a z opačné strany je k hřídeli 11 připojen frekvenční měnič a čítač 12 cyklů. Kyvná páka 211, čtyřkloubového mechanizmu 21, je nasazena na hnací hřídel 3. Převodová skříň 2 je opatřena upínací hlavou 23, v níž je uspořádáno axiální ložisko 231, které je například provedeno jako dvouřadé, axiální, obousměrné a v němž je hnací hřídel 3 uložen. Hnací hřídel 3 je souose situován s hnaným hřídelem 41, opatřeným setrvačníkem 42, uspořádaným například jako deskový, skládací. Hnaný hřídel 41 je spolu se skládacím setrvačníkem 42 uložen ve skříni 4 hnaného soustrojí, která je rovněž upevněna v rámu 01. Mezi hnací hřídel 3 a hnaný hřídel 44 je vložena přetlaková komora 31 se zkušebním vzorkem 5. Přetlaková komora 31 sestává z třecí spojky 314. K třecí spojce 314 je připojena hydraulická kostka 312. Na hydraulickou kostku 312 je napojen píst 313 pro vložení do zkušebního vzorku 5. Proti úniku vnitřního tlaku je píst 313 opatřen alespoň dvěma těsnicími elementy 314. například O-kroužky. Na hydraulickou kostku 312 je pak napojen přívod 317 vnitřního tlaku, který je opatřen snímačem 316 vnitřního tlaku. Přetlaková komora 31 rovněž sestává z uzavíracího pouzdra 315 uzpůsobeného pro vložení zkušebního vzorku 5 a pro vyvození vnějšího tlaku. Styková plocha uzavíracího pouzdra 31 se zkušebním vzorkem 5 je proti úniku vnějšího tlaku opět opatřena nejméně dvěma těsnicími elementy 314, například O-kroužky. K uzavíracímu pouzdru 315 je připojen přívod 318 vnějšího tlaku, který je opatřen snímačem 316 vnějšího tlaku.

Oba přívody 317 a 318 jsou napojeny na hydraulický agregát 10. K hnanému hřídeli 41, v těsné blízkosti zkušebního vzorku 5, je připojen nejméně jeden sdružený tenzometrický snímač 6 osové síly a kroutícího momentu. K hnanému hřídeli 44 je z opačné strany připojena pístnice 71 hydraulického válce 7, a to prostřednictvím vyrovnávací spojky 8. Naměřené hodnoty ze sdruženého tenzometrického snímače 6 osové síly a kroutícího momentu, z čítače 12 počtu cyklů a snímačů

316 tlaku j sou propojeny do počítače 9.

Zkušební vzorek 5 se uloží do přetlakové komory 31 tak, že se nasadí na píst 313, hydraulické kostky 312, uložené v montážní spojce 311 a utěsní se dvěma těsnicími elementy 314. Zároveň se zkušební vzorek 5 vloží do uzavíracího pouzdra 315. Styková plocha uzavíracího pouzdra 315 se proti úniku vnějšího tlaku opět opatří nejméně dvěma těsnicími elementy 314, Na hydraulickou

-3CZ 20394 Ul kostku 312 se pak napojí přívod 317 vnitřního tlaku, spolu se snímačem 316 vnitřního tlaku. K uzavíracímu pouzdru 315 se připojí přívod 318 vnějšího tlaku, spolu se snímačem 316 vnějšího tlaku. Oba přívody 317 a 318 se napojí na hydraulický agregát 10. Přetlaková komora 31 se pak vloží mezi hnací hřídel 3 a hnaný hřídel 41.

Po připojení pohonné jednotky I, například asynchronního elektromotoru s frekvenčním měničem ke zdroji elektrické energie (není kresleno), se pohyb kyvné páky 211 čtyrkloubového mechanizmu 21 přenáší na hnací hřídel 3, uložený v axiálním ložisku 231 upínací hlavy 23, které zabraňuje přenosu osové síly na uložení čtyrkloubového mechanizmu 21. Kyvný pohyb hnacího hřídele 3 se přenáší na hnaný hřídel 41 se skládacím setrvačníkem 42. Hnaný hřídel 44 společně io se setrvačníkem 42. jako tzv. volný člen, způsobuje vznik kroutícího momentu, přenášeného na zkušební vzorek 5. Zároveň na zkušební vzorek 5 působí osová síla, vyvinutá pomocí hydraulického válce 7, a to buď tahová či tlaková, konstanta! nebo proměnná, přenášená na hnaný hřídel 41 z pístnice 71 hydraulického válce 7, přes vyrovnávací spojku 8. Nahrazením torzní tyče volně uloženým hřídelem 41 se výrazně změní charakter zatěžování zkušebního vzorku 5. Silové účinky nyní vznikají vlivem dynamických setrvačných účinků. Velikost maximálního dynamického momentu lze pak stanovit ze základní pohybové rovnice:

M Kmax ~ ψ max -J kde J je moment setrvačnosti hnaného hřídele 4i a setrvačníku 42 a ψ představuje maximální úhlové zrychlení kyvné páky 211 čtyřkloubového mechanizmu 2L Změny zatěžujícího krouticí20 ho momentu se dosáhne změnou excentricity „e“ čtyřkloubového mechanizmu 21 a rovněž změnou momentu setrvačnosti skládacího setrvačníku 42. Naměřené hodnoty získané čítačem 12 cyklů, sdruženým tenzometrickým snímačem 6 osové síly a kroutícího momentu a snímači 316 tlaku jsou pak přímo vyhodnocovány pomocí software počítače 9. Takto sestavené zařízení umožňuje namáhat zkušební vzorek 5 víceosým napěťovým stavem (dvouosým a tříosým) s vli25 vem středního napětí, které může být konstantní nebo časově proměnné.

Řízeným tlakem tlakového média na vnitrní povrch zkušebního vzorku 5 prostřednictvím pístu 313 a na vnější povrch zkušebního vzorku 5 prostřednictvím uzavíracího pouzdra 315 lze současně vyvodit konstantní nebo časově proměnnou složku obvodového napětí o_T a radiálního napětí o_R. Napěťový stav σ_τ a σ_κ generovaný ve stěně zkušebního vzorku 5 řízením tlaku tlakového média přivedeného pístem 313 a uzavíracím pouzdrem 315 lze kombinovat s napěťovými stavy, vyvolanými cyklickým kroutícím momentem na hnacím hřídeli 3 (kroucení, smykové napětí τ) a posunem hnaného hřídele 44 (tah/tlak ± σ_Α).

Dle výstupů ze sdruženého tenzometrického snímače 6 osové síly a kroutícího momentu, z čítače 12 počtu cyklů a ze snímačů 316 tlaku, jsou počítačem 9 řízeny požadované pracovní cykly, při nichž lze zatěžovat zkušební vzorky 5 víceosým napěťovým stavem jak při silovém, tak i při deformačním způsobu zatížení, přičemž lze rovněž měnit zkušební frekvenci v rozsahu 0,1 až 35 Hz.

Průmyslová využitelnost

Technické řešení slouží především k získávání materiálových charakteristik, a to na základě zátě40 že zkušebních vzorků víceosovým napěťovým stavem při vyvození tříosového stavu napjatosti. Materiálové charakteristiky získané z veškerých údajů o kombinovaném namáhání zkušebních vzorků osovou silou tah/tlak, cyklického kroutícího momentu, vnitřního a vnějšího přetlaku, v oblasti nízkocyklové a vysokocyklové únavy, pro proporcionální i neproporcionální zatížení lze využít u všech průmyslových odvětví, zejména ve strojírenství, stavebnictví, automobilovém a leteckém průmyslu.

Claims (6)

1. NÁROKY NA OCHRANU

   1. Zařízení pro víceosé kombinované zatěžování zkušebních vzorků, sestává z rámu (01), v němž je uložena pohonná jednotka (1) s výstupním hřídelem (11) a čítačem (12) počtu cyklů, k níž je připojena převodová skříň (
2. 2), ve které je umístěn čtyrkloubový mechanizmus (21), jehož

   5 kyvná páka (211) je nasazena na hnací hřídel (3), který je uložen v převodové skříni (2) a zároveň i v upínací hlavě (23), připojené k převodové skříni (2) a skříně (4) hnaného soustrojí, v níž je uložen hnaný hřídel (41), se setrvačníkem (42), který je souose uspořádán s hnaným hřídelem (41), opatřeným sdruženým tenzometrickým snímačem (6) osové síly a kroutícího momentu a kde k hnanému hřídeli (41) je z opačné strany připojena pístnice (71) hydraulického válce (7), ío vyznačující se tím, že mezi hnací hřídel (3) a hnaný hřídel (41) je uspořádána přetlaková komora (31), v níž je situován zkušební vzorek (5), přičemž přetlaková komora (31) sestává z třecí spojky (311), k níž je připojena hydraulická kostka (312) pro přívod (317) vnitřního tlaku a uzavíracího pouzdra (315), pro přívod (318) vnějšího tlaku, přičemž oba přívody (317, 318) jsou napojeny na hydraulický agregát (10).

   15 2. Zařízení pro víceosé kombinované zatěžování zkušebních vzorků podle nároku 1, vyznačující se tím, že na hydraulickou kostku (312), situovanou v přetlakové komoře (31), je napojen píst (313), který je pro vložení do zkušebního vzorku (5) opatřen alespoň dvěma těsnicími elementy (314).
3. 3. Zařízení pro víceosé kombinované zatěžování zkušebních vzorků podle některého z nároků

   20 1 a/nebo 2, vyznačující se tím, že uzavírací pouzdro (315) pro vložení zkušebního vzorku (5) je opatřeno nejméně dvěma těsnicími elementy (314).
4. 4. Zařízení pro víceosé kombinované zatěžování zkušebních vzorků podle některého z nároků laž3, vyznačující se tím, že přívod (317) vnitřního tlaku k hydraulické kostce (312) je opatřen snímačem (316) tlaku.

   25
5. 5. Zařízení pro víceosé kombinované zatěžování zkušebních vzorků podle některého z nároků laž4, vyznačující se tím, že přívod (318) vnějšího tlaku k uzavíracímu pouzdru (315) je opatřen snímačem (316) tlaku.
6. 6. Zařízení pro víceosé kombinované zatěžování zkušebních vzorků podle některého z nároků laž5, vyznačující se tím, že výstupy ze sdruženého tenzometrického snímače (6)

   30 osové síly a kroutícího momentu, z čítače (12) počtu cyklů a ze snímačů (316) tlaku, jsou propojeny do počítače (9).