Zařízení pro únavové zkoušky ohybem

Oblast techniky

Vynález se týká zařízení pro únavové zkoušky ohybem, zejména pro analýzu a sledování vlivu konstrukčních vrubů na únosnost a životnost obráběných součástí.

Dosavadní stav techniky

Stávající zařízení pro zkoušky únavy ohybem, které slouží k analýze a sledování konstrukčních vrubů na únosnost a životnost obráběných součástí, jsou tvořena hnacím vřetenem a opěrným ložiskem. Uprostřed zkoušené tyče je zavěšeno závaží nebo působí zatěžovací síla, která vyvozuje střídavý ohyb při rotaci tyče. Jiný typ zkušebního zařízení není znám.

Nevýhodami uvedeného zařízení je maximální zatížení ve středu zkušební tyče v místě uložení zatížení. U zkoušených tyčí opatřených konstrukčním vrubem dochází v místě vrubu k maximálnímu zatížení a vzniká problém s uložením závaží, aniž by bylo ovlivněno místo vrubu. Vrub může být umístěn mimo oblast závaží, aleje nutno přepočítávat zatížení do místa vrubu a je diskutabilní objektivita zkoušky.

Konstrukce zařízení je poměrně jednoduchá, jedná se o uložení zkušební tyče na jedné straně v ložisku a na druhé straně v upínací části pohonu. Změna zatížení se vyvozuje změnou závaží zavěšeného na ložisku umístěném uprostřed tyče. Konstrukčně je nutno fixovat polohu ložiska se závažím. Zkouška neodpovídá reálnému zatížení skutečné součásti, vykazuje však porovnatelné výsledky pro Wóhlerovu křivku únavy a stanovení meze únavy. Pro součásti opatřené vrubem není zkouška vhodná. Při použití zařízení musí být dále zajištěno závaží a středové uchycení při lomu zkušební tyče tak, aby nedošlo k úrazu nebo poškození zařízení. Zatížení proto bývá vyvozováno hydraulicky, a tím se výrazně komplikuje. Potom však při prasknutí tyče dochází k přerušení zatěžujícího tahu.

Současná zařízení používají buď průhybu zkušební tyče pomocí natočení upínacích hlav při jejich rotaci, nebo zatěžování zkušební tyče zatížením ve středu vzorku případně ve dvou místech vzorku. Uvedená zařízení jsou vyráběna v zahraničí.

V prvním případě se jedná o specificky zatížený zkušební vzorek, deformace tyče je vyvolána natočením upínacích hlav vzorku při jejich současné rotaci. Natočení je vytvářeno mechanismem v několika možných úhlech. Výhodou je poměrná snadnost zkoušky včetně upínání zkušebního vzorku. Nevýhodou je specifické zatížení, které neodpovídá reálnému ohybu za rotace součástí strojů. Zařízení nelze použít pro analýzu vzorků opatřených konstrukčním vrubem. Tento typ zařízení je popsán například v dizertační práci Ing. Dušana Mihalidese - „Hodnocení životnosti kompozitních konstrukcí“, Vysoké učení technické v Brně, Fakulta strojního inženýrství, Letecký ústav, Brno 2010, a v bakalářské práci Ondřeje Petrušky - „Zkušební zařízení pro únavové zkoušky kompozitních materiálů při ohybovém namáhání“, Vysoké učení technické v Brně, Fakulta strojního inženýrství, Letecký ústav, Brno 2012. Uvedené zařízení je založeno na to, že zkušební vzorek je na jednom konci pevně nepohyblivě upnut a na druhém konci se pohybuje, tj. ohýbá, pomocí výstředníku pouze v ose x.

Druhý typ zařízení modeluje typické případy únavové zkoušky ohybu za rotace. Jedná se o poměrně složité zařízení, jehož výhodou je velký rozsah zatížení. Přes možnost realizace zkoušek ohybem za rotace není ani toto zařízení vhodné k analýze a únavovým zkouškám součástí opatřených konstrukčními vruby. Zatížení by muselo působit v místě vrubu, což by zkreslovalo výsledek zkoušky. V tomto případě by se muselo jednak o bodové zatížení, což není zařízení schopné realizovat.

- 1 CZ 304633 B6

Podstata vynálezu

Výše uvedené nedostatky jsou do značné míry odstraněny zařízením pro únavové zkoušky ohybem, podle tohoto technického řešení. Jeho podstatou je to, že je tvořen ložem s elektromotorem s hnacím vřetenem opatřeným excentrickou přírubou a upínacím hrotem pro upnutí zkušební tyče, přičemž u upínacího hrotu je umístěna klec s pouzdrem pro sevření zkušební tyče a tříosý snímač sil pro monitorování průběhu zatížení v obou zatěžovacích osách pohybu.

Příruby mají s výhodou různou excentricitu od 0,5 až po 5 mm. Elektromotor má ve výhodném provedení plynulou regulaci otáček.

Zkušební tyč může být opatřena vrubem pro zkoušku únavy vrubových součástí. Tvar a velikost vrubu nejsou pro průběh zkoušky problémem.

Zařízení pro zkoušky únavy ohybem podle tohoto technického řešení slouží k analýze a sledování vlivu konstrukčních vrubů na únosnost a životnost obráběných součástí, dále pro analýzu vlivu výroby vrubu a kvality zpracování součásti na únavové vlastnosti materiálu. Snímače monitorují průběh zatížení v obou zatěžovaných osách při ohybu. Příruby jsou vyměnitelné s různou velikostí excentricity, například 0,5; 1; 2;3 mm. Řízení elektromotoru je plynulé a lze použít širokého časového zatížení součásti. Při opatření zkoušené součásti konstrukčním vrubem je možné zkoušet vliv různého provedení vrubů, různé výrobní technologie na životnost takto zatěžovaných dílů. Zařízení je možné využít i pro běžné cyklické zkoušky ohybem.

Zařízení je složitější v porovnání s dosud používanými druhy zařízení. S tím však souvisí opakovatelnost, šíře využití a vysoké přiblížení skutečnému průběhu zatížení u reálných součástí. Cena zařízení není výrazně odlišná od dosud používaných zařízení, největší část tvoří snímací soustava včetně zesilovačů a přenosu do počítače. Zařízení má bezporuchový provoz, vysokou bezpečnost při spínači vypínajícím pohon v době poklesu zatížení na 10 %. Zařízení má vysokou životnost, taje závislá na kvalitě snímačů a kvalitě upínacího pouzdra. Zařízení vykazuje vysokou přesnost vyvozenou tuhou konstrukcí a kvalitou snímačů. Využitelnost zařízení je širší oproti dosud používaným konstrukcím, zkušební tyče s konstrukčními, technologickými vruby, bez vrubů, různými způsoby opracování s jednoduchým způsobem výroby zkušební tyče - v základním provedení rotační součást bez dalších prvků.

Oproti známým řešením v tomto případě zkušební vzorek rotuje a navíc je zatěžován dvěma třmeny, je tedy namáhán v osách x a y oproti pouhému ohýbání pouze v ose x.

Objasnění obrázků na výkrese

Zařízení pro únavové zkoušky ohybem podle tohoto vynálezu bude podrobněji popsáno na konkrétním příkladu provedení s pomocí přiložených výkresů, kde na obr. 1 je schematicky znázorněno zařízení v nárysu a na obr. 2 je znázorněn bokorys zařízení.

Příklady uskutečnění vynálezu

V rámu I zařízení je uchyceno pomocí kloubového vodorovného třmene 7 a kloubového svislého třmene 8 vodicí pouzdro 4. Do vodícího pouzdra 4 je vsunuta jedna část zkušebního tělesa 3, druhá část zkušebního tělesa 3 je vložena do ložiska excentrické příruby 2. Excentrická příruba 2 je poháněna elektromotorem s plynulou změnou otáček nebo elektromotorem prostřednictvím převodovky. Průběh zatížení do lomu zkušebního tělesa 3 je zaznamenáván prostřednictvím snímače 6 ve směru vodorovné osy x a prostřednictvím dalšího snímače 5 ve směru svislé osy y. Signál ze snímačů 6 a 5 je přiváděn do zesilovače a vizualizován nebo zaznamenáván pomocí počítače a dále analyzován.

-2CZ 304633 B6

Příkladné zařízení pro únavové zkoušky ohybem je tvořeno rámem 1 s elektromotorem s hnacím vřetenem opatřeným excentrickou přírubou 2, uvnitř níž je ložisko pro uložení a upnutí jedné strany zkušebního tělesa 3 v podobě tyče. Vodicí pouzdro 4 je umístěno v kleci 9, která je spojena vodorovným třmenem 7 a svislým třmenem 8 s rámem i zařízení. Do čela vodícího pouzdra 4 je vloženo rychloupínací pouzdro pro upnutí zkušebního tělesa 3. Svislý třmen 8 a vodorovný třmen 7 obsahují tříosý snímač sil Kistler pro monitorování průběhu zatížení v obou zatěžovaných osách pohybu. Příruby 2 mají excentricitu odstupňovanou po 0,5 mm. Elektromotor má regulaci otáček pomocí převodovky.

Zkušební těleso 3 může být opatřeno vrubem pro zkoušku únavy vrubových součástí.

Rozměr rámu 1 pro upevnění vodorovných třmenů 7 a svislých třmenů 8 má velikost 500 x 350 mm. Excentrická příruba 2 má průměr 200 mm s uvnitř vloženým ložiskem SKF 2307. Do ložiska je vkládáno zkušební těleso 3 v podobě tyče o průměru 30 mm. Zkušební těleso 3 má délku 320 mm, sevření druhého konce zkušebního tělesa 3 je provedeno rychloupínacím pouzdrem Spieth 8504. Zkušební tělesa 3 - tyče mohou být z oceli i neželezných kovů, hladké nebo s vruby.

Průmyslová využitelnost

Zařízení pro únavové zkoušky ohybem podle tohoto vynálezu najde použití při analýze a sledování vlivu konstrukčních vrubů na únosnost a životnost obráběných součástí. Zařízení je možné využít pro běžné cyklické zkoušky materiálu ohybem, lze je použít pro zkoušky při záměně materiálu v konstrukci k porovnání jeho dynamických vlastností, při zjišťování vlivu zpracování materiálu na jeho únavové vlastnosti.