CZ305401B6

CZ305401B6 - Perkusní kyvadlové rázové kladivo

Info

Publication number: CZ305401B6
Application number: CZ2014-772A
Authority: CZ
Inventors: Bohumil Culek; Petr Paščenko; Eva Schmidová; Petr Tomek; Jan Kout; Doubravka Středová; Jakub Vágner; Petr Čuda; Petr Johánek
Original assignee: Univerzita Pardubice
Priority date: 2014-11-10
Filing date: 2014-11-10
Publication date: 2015-09-02
Also published as: CZ2014772A3

Abstract

Perkusní kyvadlové rázové kladivo tvořené nosnou rámovou konstrukcí, na níž jsou nainstalovány a upevněny konstrukční a funkční uzly, kterými jsou zejména kyvadlo (3) s nárazovou hlavicí (31), aretační zařízení (4) pro ustavení kyvadla (3) ve výchozí poloze, upínací mechanismus (6) zkušebního vzorku (7) propojený s měřicím systémem (8) a brzdicí zařízení (9) pro zajištění zastavení kyvadla (3) po nárazu na zkušební vzorek (7), kde tyto konstrukční a funkční uzly jsou propojeny s řídicím a vyhodnocovacím blokem (20). Podstata řešení spočívá v tom, že rázové kladivo je vybaveno hydro-pneumatickým startovacím zařízením (5) ustaveným na rámové konstrukci tak, že jeho výstupní nárazníkový člen (51) pro dodání prvotního pohybového impulzu kyvadlu (3) je umístěn na úrovni nárazové hlavice (31) kyvadla (3), pokud je kyvadlo (3) ustaveno ve výchozí spouštěcí poloze, přičemž startovací zařízení (5) je napojeno na řídicí a vyhodnocovací blok (20).

Description

Oblast techniky

Vynález spadá do oblasti vývoje testovacích zařízení pro dynamické zkoušky materiálů a týká se konstrukce perkusního kyvadlového rázového kladiva.

Dosavadní stav techniky

Pro kvantitativní posouzení vlivu deformačních rychlostí na chování materiálu je potřebné získávat řadu experimentálně zjištěných dat ze zkoušek laboratorních vzorků vyrobených z různých materiálů a zatěžovaných pro vyvolání jejich destrukce, například přetržením, vysokými rychlostmi. K. tomuto účelu se využívá řady zkušebních zařízení využívajících gravitačního efektu fyzikálních kladiv, zejména kyvadlových rázových kladiv, která jsou stavěna pro tzv. Charpyho zkoušku vrubové houževnatosti materiálů, respektive zkoušku podle metody Brugger, popřípadě pro dynamickou zkoušku materiálů v tahu ve smyslu norem ISO. Tato testovací zařízení jsou vybavena speciálním upínacím mechanizmem pro upnutí zkušebních vzorků a kladiva mají speciální tvar uzpůsobený pro zajištění jejich nárazu na upínací mechanizmus zkušebního vzorku tak, aby tento zkušební vzorek byl trhán v tahu.

Z dané oblasti je známa a popsána řada řešení, popisujících konstrukce jednotlivých funkčních uzlů kyvadlových rázových kladiv, jejichž příkladem jsou řešení po psaná ve spisech DE 102010037979 Al, DE 102010037982 Al, DE 3309952 Al nebo DE 202006017071 Ul. Další modifikace standardních typů rázových kladiv spočívající v konstrukčních úpravách dílčích částí jsou pak popsána například v provedeních dle spisů CN 103234844 A, kde je řešen časový záznam napětí v dlouhé zkušební tyči po aplikovaném rázu. EP 0027257 Bl s popisem časového záznamu síly ve zkušebním vzorku v průběhu rázu. CN 101975700 A s řešením způsobu upevnění zkušebního vzorku při zkoušce v tahu. CN 103353425 A s řešením tvaru zkušebního vzorku pro zkoušku v tahu. DE 3149986 Al s popisem upevnění plochého zkušebního vzorku pro zkoušku v tahu. DE 3529470 Al s konstrukcí hydraulického zařízení kyvadlového rázového kladiva pro urychlení průběhu zkoušky nebo JP 2006194595 A s řešením speciálního zařízení pro měření deformace v tlaku zkušebního vzorku v časovém průběhu po délce zkušební tyče na principu tzv. Hopkinsonovy tyče.

Známá řešení kyvadlových kladiv jsou omezena především technickými parametry majícími vliv na velikost rychlosti nárazu kladiva na zkušební vzorek, která je dána přeměnou potenciální energie kyvadla na energii kinetickou při jeho pohybu z výchozí konstrukčně maximálně možné horní polohy do dolní úvrati kyvadla, kde je umístěn zkušební vzorek. Maximálně dosahovaná energie, tzv. kapacita kladiva, je v současné době 450 Joulů. Rychlost nárazu kladiva na zkušební vzorek je tedy z pohledu mechanického dána délkou kyvadla, jeho hmotností a maximální možnou výškou nastavení v horní poloze. V současné době dosahují konstrukčně nejlépe stavěná kyvadlová rázová kladiva maximální rychlost při nárazu 5,5 m/s ajejich poloměr, tedy vzdálenost nárazového bodu od osy rotace, je nejvýše 800 mm. S relativně malým poloměrem kyvadla souvisí často ne zcela důsledně řešená podmínka perkusnosti kladiva, a to obzvláště v případech, kdy kladivo je uzpůsobeno k výměně břitů, což má za důsledek změny momentu setrvačnosti kladiva. Poloměr kyvadla je limitujícím technickým parametrem pro přesnost záznamu síly, respektive deformace zkušebního vzorku v čase v průběhu zkoušky a souvisí s tzv. instrumentací zkoušky. Platí, že čím větší je poloměr kyvadla, tím menší je nepříznivý vliv na přesnost měřené síly, respektive deformace v čase. Teoreticky bez vlivu na tento velmi důležitý technický údaj instrumentovaného kladiva by bylo kyvadlo o nekonečném poloměru. Žádoucí a nezbytnou podmínkou současného stavu techniky je, aby tvar nárazové hrany kladiva, tedy břitu byl takový, aby umožnil instrumentaci zkoušky podle Charpyho, možnost realizace instrumentované rázové zkoušky

-1 CZ 305401 B6 tahem na kruhových vzorcích se závitovou hlavou a neinstrumentované rázové zkoušky tahem na plochých tělesech s tloušťkou až do 3 mm, možnost testování rázem v ohybu zkušebních těles průřezů 10x10 nebo 7,5x7,5 nebo 5x5 nebo 2,5x2,5 mm s délkou 55 mm. Důležitými konstrukčními parametry jsou pak přesnost snímače polohy kladiva max. 0,05°, nastavení výchozí polohy kyvadla od min 3 do 150° po krocích maximálně 3°, uzpůsobení ergonomie pro obsluhu temperovaných zkušebních těles do 5-ti sekund od vyjmutí ze zařízení s řízenou teplotou, možnost připoj itelnosti k PC, možnost automatického odečtení absorbované energie, a to v neinstrumentovaném režimu zkoušek i bez připojení k PC.

Mezi nejzávažnější nevýhody kyvadlových rázových kladiv stavěných na úrovni stávajícího stavu techniky patří velmi nízká maximální nárazová rychlost 5, 5 m/s, neboť pro potřeby crashových simulací při vývoji nových materiálů a konstrukcí dopravních prostředků je nezbytné získat materiálové charakteristiky při rychlých dynamických tahových zkouškách s rychlostí nárazu o řád vyšší, což současná kyvadlová kladiva nedokážou. Tyto charakteristiky lze získat pomocí jiných speciálních zařízení založených na principu padostrojů a rychlých elektrohydraulických válců, což však jsou zařízení konstrukčně náročná, složitá na výrobu a jsou primárně určena pro jiný typ zkoušek než kyvadlová kladiva. Další nevýhodou známých konstrukcí kyvadlových rázových kladiv je nedůsledné řešení podmínky perkusnosti dané vztahem i²= J_A/m = k.r.

kde:

J_A je hmotový moment setrvačnosti fyzikálního kyvadla k jeho bodu závěsu, resp. k ose procházející bodem závěsu, přičemž do výpočtu J_A se zahrne samotné těleso kyvadla se všemi jeho částmi i součástmi, např. polohovacího mechanizmu, k je vzdálenost těžiště kyvadla od osy rotace, r je vzdálenost nárazového bodu, tzv. středu perkuse, od osy rotace, m je hmotnost kyvadla.

Nedokonalost v perkusnosti ovlivňuje negativně přesnost měření síly rázu v časovém průběhu porušování zkušebních materiálových vzorků. Další zásadní nevýhodou kyvadlových rázových kladiv současného stavu techniky je to, že nemají dobrý upínací systém plochých zkušebních vzorků, který nedokáže zabránit zejména prokluzu vzorku v upínacích čelistech, a negativní vliv na záznam síly v čase má i nízká tuhost konstrukce upínacího mechanizmu. Tím dochází ke zkreslení záznamu síly v časovém průběhu porušování vzorku. Výsledky takových testů tak nelze považovat za korektní instrumentované zkoušky. Nedostatkem současného stavu techniky kyvadlových rázových kladiv je také to, že dosud používané systémy záznamů rázové síly v průběhu porušování vzorků nezaznamenávaji vlnové děje, které probíhají v materiálu zkušebních vzorků během jejich destrukce.

Snahou předkládaného vynálezu je vytvořit takovou konstrukci perkusního kyvadlového rázového kladiva, která by s využitím všech známých řešení odstranila výše uváděné nedostatky, umožňovala by docilovat při nárazu kyvadla na zkušební vzorek rychlosti až 30 m/s s možností regulace rychlosti dopadu v celé šíři intervalu 0,5 až 30 m/s. Konstrukce kladiva je pak řešena tak, že splňuje podmínku perkusnosti podloženou tím, že nepředpokládá výměnu břitů kladiva.

-2CZ 305401 B6

Podstata vynálezu

Stanoveného cíle je dosaženo vynálezem, kterým je perkusní kyvadlové rázové kladivo tvořené nosnou rámovou konstrukcí, na níž jsou nainstalovány a upevněny konstrukční a funkční uzly, kterými jsou zejména kyvadlo s nárazovou hlavicí, aretační zařízení pro ustavení kyvadla ve výchozí poloze, upínací mechanizmus zkušebního vzorku propojený s měřicím systémem a brzdicí zařízení pro zajištění zastavení kyvadla po nárazu na zkušební vzorek, kde tyto konstrukční a funkční uzly jsou propojeny s řídicím a vyhodnocovacím blokem. Podstatou vynálezu je, že rázové kladivo je vybaveno hydro-pneumatickým startovacím zařízením ustaveným na rámové konstrukci tak, že jeho výstupní nárazníkový člen pro dodání prvotního pohybového impulzu kyvadlu je umístěn na úrovni hlavice kyvadla, pokud je kyvadlo ustaveno ve výchozí spouštěcí poloze, přičemž startovací zařízení je napojeno na řídicí a vyhodnocovací blok.

Ve výhodném provedení je nosná rámová konstrukce modulového provedení a sestává z rozebíratelně spojitelných spodního rámu a horního rámu, přičemž startovací zařízení je upevněno na horní stěně krytu horního rámu.

Předkládaným řešením se dosahuje nového a vyššího účinku v tom, že umožňuje dosažení nárazové rychlosti na zkušební vzorek několikanásobně vyšší než je tomu u dosavadních konstrukcí nárazových kladiv, čímž je zajištěno získávání dosud velmi obtížně zjistitelných materiálových charakteristik, a to při splnění podmínky perkusnosti.

Objasnění výkresů

Konkrétní příklady provedení vynálezu jsou schematicky znázorněny na připojených výkresech, kde:

obr. 1 je základní konstrukční a funkční schéma kyvadlového rázového kladiva, obr. 2 je celkový boční axonometrický pohled na rázové kladivo, obr. 3 je axonometrický pohled na rázové kladivo z obr. 2 v podélném řezu při demontovaných brzdicích jednotkách a obr. 4 je axonometrický pohled na rázové kladivo v řezu z obr. 3 se schematicky naznačeným propojením jednotlivých konstrukčních uzlů na řídicí a vyhodnocovací blok.

Výkresy, které znázorňují představovaný vynález, a následně popsaný příklad konkrétního provedení v žádném případě neomezují rozsah ochrany uvedený v definici, ale jen objasňují podstatu vynálezu.

Snahou předkládaného vynálezu je vytvořit takovou konstrukci perkusního kyvadlového rázového kladiva, která by s využitím všech známých řešení odstranila výše uváděné nedostatky, umožňovalo docilovat při nárazu kyvadla na zkušební vzorek rychlosti až 30 m/s s možností regulace rychlosti dopadu. Konstrukce kladiva je pak řešena tak, že splňuje podmínku perkusnosti podloženou tím, že nepředpokládá výměnu břitů kladiva.

Příklady uskutečnění vynálezu

Perkusní kyvadlové rázové kladivo je tvořeno modulově stavěnou nosnou konstrukcí sestávající z rozebíratelně spojitelných spodního rámu i a horního rámu 2, v nichž jsou nainstalovány a upevněny konstrukční a funkční uzly, kterými jsou kyvadlo 3 s nárazovou hlavicí 31, aretační zařízení 4 pro ustavení kyvadla 3 ve výchozí poloze, startovací zařízení 5, upínací mechanizmus

-3CZ 305401 B6 zkušebního vzorku 7 propojený s měřicím systémem 8 a brzdicí zařízení 9 pro zajištění zastavení kyvadla 3 po nárazu na zkušební vzorek 7. Všechny tyto konstrukční uzly jsou propojeny s řídicím a vyhodnocovacím blokem 20 realizovaným formou PC vybaveného speciálním software, jak je patrné z obr. 4. Řídicí a vyhodnocovací blok 20 pak zejména zajišťuje řízení velikosti tlaku ve startovacím zařízení 5, kontrolu a řízení polohy kyvadla 3, ovládání aretačního zařízení 4, řízení tlaku v brzdicím zařízení 9, záznam rychlosti kyvadla 3 při nárazu na zkušební vzorek 7, záznam síly nárazu v průběhu destrukce zkušebního vzorku 7, kontrolu předpětí v upnutí zkušebního vzorku 7 a záznam deformace zkušebního vzorku 7 v průběhu jeho destrukce.

Spodní rám i, který je základním nosným prvkem celého stroje, je tvořen svařencem, sestávající z podstavy 11, k níž jsou upevněny vertikální nosníky 12 vzájemně spojené horizontálně vedenými podélníky 13 a horní přírubou 14, která je uzpůsobena pro rozebíratelné připojení, například přišroubování a přikolíkování, horního rámu 2. Podstava 11 je pak přizpůsobena pro umožnění ukotvení stroje, s výhodou přišroubování, k základně, například podlaze zkušebny. K nosníkům 12 jsou připevněny vnější bočnice 15, tvořené plechovými pláty, které tvoří plášť spodního rámu i pro upevnění brzdicího zařízení 9, jehož činnost je založena na funkci soustavy brzdicích válců 91 umístěných podél trajektorie pohybu hlavice 31 kyvadla 3 po nárazu na zkušební vzorek 7. Mezi vnějšími bočnicemi 15 spodního rámu 1 jsou v jejich spodní části upevněny vnitřní bočnice 16, v nichž jsou ukotveny upínací mechanizmus 6 zkušebního vzorku 7 propojený s měřicím systémem 8. V horní části spodního rámu 1 je na úrovni jeho horní příruby 14 upevněn nosný kozlík 32 středové otočné hřídele 33 kyvadla 3 opatřený aretačním zařízením 4 vybaveným standardním blíže neznázoměným a nepopisovaným polohovacím mechanismem umožňujícím ustavení výchozí polohy hlavice 31 kyvadla 3 nejen v základní vertikální poloze, ale podle druhu a velikosti zkušebního vzorku 7 a požadovaného typu zkoušky v různých pozicích s možností volby úhlového intervalu o velikosti 0,5°. Konečně je spodní rám 1 vybaven opět neznázoměným standardním zvedacím zařízením, například vrátkem, pomocí něhož je hlavice 31 kyvadla 3 zvedána po ukončení zkoušky do výchozí polohy.

Horní rám 2 určený pro fixaci kyvadla 3 ve výchozí, tedy startovací, poloze je tvořen svařencem sestávajícím jednak ze spodní příruby 21, která je upravena pro připojení ke spodnímu rámu 1, a jednak z krytu 22 ve tvaru krabice. Na horní stěně krytu 22 je upevněno hydro-pneumatické startovací zařízení 5 ustavené tak, že jeho výstupní nárazníkový člen 51 pro dodání prvotního pohybového impulzu kyvadlu 3 je umístěn na úrovni hlavice 31 kyvadla 3, pokud je kyvadlo 3 ustaveno v horní úvratí, tedy výchozí spouštěcí poloze. Pro zajištění ustavení kyvadla 3 do výchozí polohy je aretační zařízení 4 propojeno s třmenem 41, jehož boční ramena jsou vedena podél nosného ramena 34 kyvadla 3, přičemž je horní rám 2 vybaven opět neznázoměným standardním zvedacím zařízením, například vrátkem. Konečně je aretační zařízení 4 dále vybaveno standardním odjišťovacím mechanismem 42, který zabezpečuje uvolnění hlavice 31 kyvadla 3 po spuštění zkoušky.

Při zkoušce se dle známých parametrů zkušebního vzorku 7 nastaví pomocí aretačního zařízení 4 dle výpočtů provedených řídicím a vyhodnocovacím blokem 20 výchozí poloha kyvadla 3 a ve startovacím zařízení 5 a v brzdicím zařízení 9 se nastaví a seřídí tlaky provozních tekutin. Poté se ustaví zkušební vzorek 7 v upínacím mechanizmu 6, čímž je rázové kladivo připraveno k provedení zkoušky. Po vydání pokynu z řídicího a vyhodnocovacího bloku 20 se pomocí odjišťovacího mechanizmu 42 uvolní kyvadlo 3, kterému je současně dodán nárazníkovým členem 51 startovacího zařízení 5 rychlostní pohybový impulz, a tím dojde k jeho uvedení do činnosti nikoliv pouze gravitačním efektem, čímž je dosaženo jeho řádově vyšších rychlostí při dopadu na zkušební vzorek 7. Po nárazu na zkušební vzorek 7 je pohyb kyvadla 3 zastaven pomocí brzdicího zařízení 9, čímž je zkouška ukončena a v řídicím a vyhodnocovacím bloku 20 je možno prověřit veškeré hodnoty získané měřicím systémem 8. Poté je kyvadlo 3 vyzdvihnuto do výchozí polohy, do upínacího mechanizmu 6 se ustaví nový zkušební vzorek 7 a zkoušku je možno opakovat s případnou změnou jejích parametrů nastavenou v řídicím a vyhodnocovacím bloku 20.

-4CZ 305401 B6

Popsané a vyobrazené testovací zařízení není jediným možným řešením podle vynálezu, ale bez vlivu na jeho podstatu je možno dle požadovaných velikostních parametrů kyvadla a zástavbových možností zkušeben přizpůsobovat konstrukci spodního rámu i horního rámu, které mohou být v určitých případech provedeny nikoliv jako modulové uzly, ale jako celistvý zkušební stend. Rovněž aretační zařízení, upínací mechanizmus nebo brzdicí zařízení mohou být běžné standardní konstrukce nebo ve speciálním provedení podle požadovaných parametrů zkoušek.

Průmyslová využitelnost

Perkusní kyvadlové rázové kladivo je určeno pro provádění dynamických zkoušek materiálů, zejména materiálů používaných při konstrukci dopravních prostředků.

PATENTOVÉ NÁROKY

Claims

1. Perkusní kyvadlové rázové kladivo tvořené nosnou rámovou konstrukcí, na níž jsou nainstalovány a upevněny konstrukční a funkční uzly, kterými jsou zejména kyvadlo (3) s nárazovou hlavicí (31), aretační zařízení (4) pro ustavení kyvadla (3) ve výchozí poloze, upínací mechanizmus (6) zkušebního vzorku (7) propojený s měřicím systémem (8) a brzdicí zařízení (9) pro zajištění zastavení kyvadla (3) po nárazu na zkušební vzorek (7), kde tyto konstrukční a funkční uzly jsou propojeny s řídicím a vyhodnocovacím blokem (20), vyznačující se tím, že je vybaveno hydro-pneumatickým startovacím zařízením (5) ustaveným na rámové konstrukci tak, žejeho výstupní nárazníkový člen (51) pro dodání prvotního pohybového impulzu kyvadlu (3) je umístěn na úrovni nárazové hlavice (31) kyvadla (3), pokud je kyvadlo (3) ustaveno ve výchozí spouštěcí poloze, přičemž startovací zařízení (5) je napojeno na řídicí a vyhodnocovací blok (20).

2. Perkusní kyvadlové rázové kladivo podle nároku 1, vyznačující se tím, že nosná rámová konstrukce je modulového provedení a sestává z rozebíratelně spojitelných spodního rámu (1) a horního rámu (2), přičemž startovací zařízení (5) je upevněno na horní stěně krytu (22) horního rámu (2).