CZ302741B6

CZ302741B6 - Zarízení pro víceosé kombinované zatežování zkušebních vzorku

Info

Publication number: CZ302741B6
Application number: CZ20090626A
Authority: CZ
Inventors: Fojtík@František; Fuxa@Jan
Original assignee: Vysoká škola bánská-Technická univerzita Ostrava
Priority date: 2009-09-24
Filing date: 2009-09-24
Publication date: 2011-10-12
Also published as: CZ2009626A3

Abstract

Zarízení sestává z rámu (01), v nemž je uložena pohonná jednotka (1) s výstupním hrídelem (11) a cítacem (12) poctu cyklu. K ní je pripojena prevodová skrín (2), ve které je umísten ctyrkloubový mechanismus (21). Jeho kyvná páka (211) je nasazena na hnací hrídel (3), který je uložen v prevodové skríni (2) a zároven i v upínací hlavne (23), pripojené k prevodové skríni (2). Zarízení rovnež sestává ze skríne (4) hnaného soustrojí, v níž je uložen hnaný hrídel (41), se setrvacníkem (42), který je souose usporádán s hnaným hrídelem (41), opatreným sdruženým tenzometrickým snímacem (6) osové síly a krouticího momentu a kde k hnanému hrídeli (41), je z opacné strany pripojena pístnice (71), hydraulického válce (7). Mezi hnací hrídel (3) a hnaný hrídel (41) je usporádána pretlaková komora (31), v níž je situován zkušební vzorek (5). Pretlaková komora (31) sestává z trecí spojky (311), k níž je pripojena hydraulická kostka (312) pro prívod (317) vnitrního tlaku a uzavíracího pouzdra (315), pro prívod (318) vnejšího tlaku, pricemž oba prívody (317, 318) jsou napojeny na hydraulický agregát (10). Vynálezu lze využít u všech prumyslových odvetví. Slouží predevším k získávání materiálových charakteristik zkušebních vzorku pri jejich kombinovaném namáhání osovou silou tah/tlak, cyklického krouticího momentu, vnitrního a vnejšího pretlaku, v oblasti nízkocyklové a vysokocyklové únavy, pro proporciální i neproporciální zatížení.

Description

Oblast techniky

Vynález 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 pňpojena převodová skříň, ve které je umístěn čtyrkloubový mechanizmus, jehož kyvná páka je nasazena na hnací hřídel, kterýje 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, kterýje souose uspořádán s línaným 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 techniky

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 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 nápisu 6977, které umožňuje namáhat vzorek současně osovým tahem/tlakem a kroucením. Jeho podstata spočívá vtom, 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 horní příčník je opatřen rotačním hydromotorem, k jehož hřídeli je připojen axiálně fixovaný průběžný hřídel, zakončený horní 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, zeje 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 zkušební 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 čtyrkloubový mechanizmus, jehož kyvná páka je nasazena na hnací hřídel a skříně hnaného soustrojí, v níž je uložen línaný 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 hřídelí, je pak z opačné strany připojena pístnice hydraulického válce.

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 které je umístěn čtyrkloubový 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. 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 technické 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 moment a vnitřní/vnější přetlak. U žádného ze známých řešení nelze ve zkušebním vzorku dosáhnout tříosého napěťového stavu.

Podstata vynálezu

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 čtyrkloubový 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 niž 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 mezí hnací hřídel a hnaný hřídel je situován zkušební vzorek, podle tohoto vynálezu, jehož podstata spočívá v tom, že mezi hnací hřídel a hnaný hřídel je uspořádána přetlaková komora, v níž je situován zkušební vzorek.

Je účelné, aby přetlaková komora sestávala z třecí spojky, a aby k ní byla připojena hydraulická kostka pro přívod vnitřního tlaku a uzavírací pouzdro, pro přívod vnějšího tlaku. Přitom aby oba přívody byly napojeny na hydraulický agregát.

Je rovněž účelné, aby na hydraulikou kostku byl napojen píst, pro vložení do zkušebního vzorku, a aby byl opatřen alespoň dvěma těsnicími elementy.

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

. 9 CZ 302741 B6

Je výhodné, 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 snímače tlaku, byly propojeny a snímány do počítače.

Výhodou řešení podle vynálezu je rychlé získávání materiálových charakteristik při víceosém zatěžování zkušebních vzorků, při proporcionálním i neproporcionálním zatěžování, dále pri 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 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, kterýje 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 řešení podle vynálezu lze dále spatřovat v jednoduchosti konstrukčního uspořádání, v provozní spolehlivosti, ve snadnosti manipulace při provádění testování zkušebních vzorků, při 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 ajejich vyhodnocení prostřednictvím výpočetní techniky. V neposlední řadě je nespornou výhodou řešení podle vynálezu nízká spotřeba elektrické energie na jeho provoz a tím i značná úspora nákladů.

Přehled obrázků na výkresech

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

Příklady provedení vynálezu

Zařízení pro víceosé kombinované zatěžování zkušebních vzorků, a to, osovou silou tah/tlak, cyklickým kroutícím momentem a vnitřním a vnějším přetlakem sestává z rámu (Π, k němuž je připojena pohonná jednotka 1, například asynchronní elektromotor s frekvenčním měničem a převodová skříň 2. K výstupnímu hřídeli 11, pohonné jednotky i, je v převodové skříni 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 4£, 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 OL Mezi hnací hřídel 3 a hnaný hřídel 41 je vložena přetlaková komora 31, se zkušebním vzorkem 5. Přetlaková komora 31 sestává z třetí spojky 31 K třecí spojce 311 je připojena hydraulická kostka 312. Na hydraulickou kostku 312 je napojen píst 313, pro vložení do zkušeb-3CZ 302741 B6 ního 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 3 17 vnitřního tlaku, který je opatřen snímačem 316 vnitřního tlaku. Přetlaková komora 3J_ 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 těsnícími 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 Π). K hnanému hřídeli 44, v těsné blízkosti zkušebního vzorku 5, je připojen nejméně jeden sdružený tenzometrický snímač id 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, 316' jsou 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 3 15. Styková plocha uzavíracího pouzdra 31 se proti úniku vnějšího tlaku opět opatří nejméně dvěma těsnicími elementy 314. Na hydraulickou 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 44.

Po připojení pohonné jednotky £, například asynchronního elektromotoru s frekvenčním měni25 čem ke zdroji elektrické energie, (není kresleno), se pohyb kyvné páky 211 čtyřkloubového mechanizmu 21 přenáší na hnací hřídel 3, uložený v axiálním ložisku 231, upínací hlavy 23, které zabraňuje přenosu osové síly na uložení Čtyřkloubového mechanizmu 21. Kyvný pohyb hnacího hřídele 3 se přenáší na hnaný hřídel 41, se skládacím setrvačníkem 42. Hnaný hřídel 41 společně 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, konstantní 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:

Μκ _max Ψ _ηιαχ . J, kde Jje moment setrvačnosti hnaného hřídele 41 a setrvačníku 42 a Ψ„_MX představuje maximální úhlové zrychlení kyvné páky 211 čtyřkloubového mechanizmu 21. Změny zatěžujícího kroutícího 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, 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 vlivem středního napětí, které může být konstantní nebo časově proměnné.

Řízeným tlakem tlakového média na vnitřní povrch zkušebního vzorku 5 prostřednictvím pístu 313 a na vnější povrch zkušebního vzorku 5 prostřednictvím uzavíracího pouzdra 315 lze sou5o časně vyvodit konstantní nebo časově proměnnou složku obvodového napětí σ_κ. Napěťový stav

O] a Or 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 41 (tah/tlak ± σ_Λ).

-4CZ 302741 B6

Dle výstupů ze sdruženého tenzometrického snímače 6 osové síly a kroutícího momentu, z čítače 12 počtu cyklů a ze snímačů 316, 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

Zařízení podle vynálezu slouží především k získávání materiálových charakteristik, a to na základě zátěže 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 í neproporcionální zatížení lze využít u všech průmyslových odvětví, zejména ve strojírenství, stavebnictví, automobilovém a leteckém průmyslu.

PATENTOVÉ NÁROKY

Claims

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), ve které je umístěn Čtyřkloubový mechanizmus (21), jehož 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 osové síly a kroutícího momentu (6) a kde k hnanému hřídeli (41), je z opačné strany připojena pístnice (71), hydraulického válce (7), vyznačující se tím, že mezi hnací hřídel (3) a hnaný hřídel (41) je uspořádána přetlaková komora (31), v níž je situován zkušební vzorek (5).

2. Zařízení pro víceosé kombinované zatěžování zkušebních vzorků podle nároku 1, vyznačující se tím, že 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),

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

4. Zařízení pro víceosé kombinované zatěžování zkušebních vzorků podle některého z nároků 1 až 3, vyznačující se tím, že uzavírací pouzdro (315) pro vložení zkušebního vzorku (5), je opatřeno nejméně dvěma těsnicími elementy (314).

5. Zařízení pro víceosé kombinované zatěžování zkušebních vzorků podle některého z nároků laž4, vyznačující se tím, že přívod (317) vnitřního tlaku k hydraulické kostce (312) je opatřen snímačem (316) vnitřního tlaku.

-5 CZ 302741 B6

6. Zařízení pro víeeosé kombinované zatěžování zkušebních vzorků podle některého z nároků 1 až 5, vyznačující se tím, že přívod (318) vnějšího tlaku k uzavíracímu pouzdru (3 I 5) je opatřen snímačem (316) vnějšího tlaku.

5 7. Zařízení pro víeeosé kombinované zatěžování zkušebních vzorků podle některého z nároků

I až 6, vyznačující se tím, že výstupy ze sdruženého tenzometrického snímače (6) osové síly a kroutícího momentu, / čítače (12) počtu cyklů a ze snímačů (316, 316 ) tlaku, jsou propojeny do počítače (9).