RU2730555C1 - Unit for mechanical testing of samples of sheet materials for fatigue in bending - Google Patents

Abstract

FIELD: test equipment.SUBSTANCE: device relates to testing equipment, can be used for fatigue testing of specimens of sheet materials in bending. Proposed plant comprises oscillation source, specimen clamps and measuring device. Source of oscillations is made in form of three-phase electrodynamic vibrator connected to AC frequency converter, and the measuring device is a displacement sensor installed in the console root, the apparatus is equipped with a calibrated load fixed on the free end of the sample.EFFECT: possibility to increase efficiency and reliability of tests, to provide simple circuit of application of external load, performance of fatigue tests at bending of samples of arbitrary dimensions, non-destructive testing and possibility of loading mode parameters adjustment, such as cycle asymmetry coefficient and external load application frequency.1 cl, 1 dwg

Description

Предлагаемое изобретение относится к испытательной технике, а именно к устройствам для испытания на усталость образцов листовых материалов при изгибе.The present invention relates to testing equipment, namely to devices for testing the fatigue of samples of sheet materials in bending.

Известна машина для испытаний на усталость консольных образцов при изгибе (см.: Серенсен С.В., Гарф М.Э., Кузьменко В.А. Динамика машин для испытаний на усталость. - М.: Машиностроение, 1967, стр. 33). Машина состоит из консольного динамометра, жестко закрепленного в станине, и образца, установленного на свободном конце динамометра при помощи зажимного устройства. Динамические перемещения свободного края образца создаются шатуном и кривошипным механизмом. Регулирование величины, прикладываемого к образцу усилия, осуществляется изменением радиуса кривошипа. Величина нагрузки, действующей на образец, определяется с помощью зеркала, установленного на зажимном устройстве и отражающего луч света от лампочки на шкалу. Длина светлой полосы, наблюдаемой на шкале, пропорциональна прогибу конца динамометра и, следовательно, величине изгибающего момента.Known machine for testing fatigue of cantilever specimens in bending (see: Serensen S.V., Garf M.E., Kuzmenko V.A. Dynamics of machines for fatigue testing. - M .: Mashinostroenie, 1967, p. 33) ... The machine consists of a cantilever dynamometer rigidly fixed to the bed and a sample mounted on the free end of the dynamometer using a clamping device. Dynamic movements of the free edge of the specimen are created by a connecting rod and a crank mechanism. The regulation of the force applied to the sample is carried out by changing the radius of the crank. The magnitude of the load acting on the sample is determined using a mirror mounted on the clamping device and reflecting the light beam from the lamp onto the scale. The length of the light bar observed on the scale is proportional to the deflection of the end of the dynamometer and therefore to the magnitude of the bending moment.

Недостатками данной машины являются несовершенство измерительных приборов, которое может привести к большим погрешностям при определении величины внешней нагрузки, и сложность кинематической схемы.The disadvantages of this machine are the imperfection of the measuring instruments, which can lead to large errors in determining the magnitude of the external load, and the complexity of the kinematic scheme.

Известна резонансная машина для испытаний на усталость консольных образцов при изгибе (авторское свидетельство СССР №700816), принятая в качестве прототипа, содержащая вибратор с инерционной массой, захваты для крепления образцов, динамометр, закрепленный на раме машины, и привод, соединенный с инерционной массой гибким валиком. Корпус вибратора выполнен с направляющей, имеющей возможность качаться на опорах, жестко связанных с рамой машины.Known resonance machine for fatigue testing of cantilever samples in bending (USSR author's certificate No. 700816), adopted as a prototype, containing a vibrator with inertial mass, grips for fastening samples, a dynamometer attached to the frame of the machine, and a drive connected to a flexible inertial mass roller. The vibrator housing is made with a guide that can swing on supports rigidly connected to the machine frame.

Недостатками данной машины являются ограничение изменения габаритов образцов в узких пределах, поскольку динамометр и ролики жестко зафиксированы на раме машины, отсутствие возможности изменения коэффициента асимметрии циклов и частоты нагружения, поскольку эти параметры зависят от модели вибратора.The disadvantages of this machine are the limitation of changes in the dimensions of the samples within narrow limits, since the dynamometer and rollers are rigidly fixed on the machine frame, there is no possibility of changing the asymmetry coefficient of cycles and the loading frequency, since these parameters depend on the vibrator model.

Задача изобретения состоит в расширении функциональных возможностей путем обеспечения испытания образца произвольных габаритных размеров, возможности регулирования параметров режима нагружения, таких как коэффициент асимметрии цикла и частота приложения внешней нагрузки.The objective of the invention is to expand the functionality by providing testing of a sample of arbitrary overall dimensions, the possibility of adjusting the parameters of the loading mode, such as the cycle asymmetry coefficient and the frequency of external load application.

Эта задача решается за счет того, что установка для механических испытаний образцов листовых материалов на усталость при изгибе, содержащая источник колебаний, захваты для крепления образца и измерительное устройство, источник колебаний выполнен в виде трехфазного электродинамического вибратора, подключенного к частотному преобразователю переменного тока, а измерительное устройство представляет собой датчик перемещений, установленный в корне консоли образца, подключенный к ЭВМ и снабжена калиброванным грузом, закрепленным на свободном конце образца.This problem is solved due to the fact that the installation for mechanical testing of samples of sheet materials for bending fatigue, containing an oscillation the device is a displacement transducer installed at the root of the sample console, connected to a computer and equipped with a calibrated weight fixed at the free end of the sample.

На приведенном чертеже изображена схема установки для механических испытаний образцов листовых материалов на усталость при изгибе.The drawing shows a diagram of an installation for mechanical testing of specimens of sheet materials for bending fatigue.

Предлагаемая установка состоит из источника колебаний 1, подключенного к частотному преобразователю переменного тока 2, для моделирования схем переменных напряжений с различными коэффициентами асимметрий цикла, захватов 3, 4, измерительного устройства 5, калиброванного груза 6. Источник колебаний 1 выполнен в виде трехфазного электродинамического вибратора, закрепленного на свободном конце образца 7. Груз 6, предназначенный для задания средних напряжений цикла, представляет собой набор грузовых дисков. Захват 3 выполнен в виде уголков, прикрепленных к стойке 8. Измерительное устройство 5 для замера относительных деформаций установлено в корне консоли и представляет собой тензодатчик, связанный с ЭВМ.The proposed installation consists of an oscillation source 1 connected to an alternating current frequency converter 2 to simulate alternating voltage circuits with different cycle asymmetry coefficients, grips 3, 4, a measuring device 5, a calibrated load 6. The oscillation source 1 is made in the form of a three-phase electrodynamic vibrator, fixed at the free end of the sample 7. Weight 6, designed to set the average stresses of the cycle, is a set of load disks. The gripper 3 is made in the form of corners attached to the rack 8. A measuring device 5 for measuring relative deformations is installed in the root of the console and is a strain gauge connected to a computer.

Практическая реализация предлагаемого устройства выполняется с использованием следующих компонентов:The practical implementation of the proposed device is performed using the following components:

- источник колебаний - трехфазный электродинамический площадочный вибратор ИВ-127;- source of oscillations - three-phase electrodynamic areal vibrator IV-127;

- частотный преобразователь переменного тока - Instart MCI-G0.75-2B;- AC frequency converter - Instart MCI-G0.75-2B;

- измерительное устройство - съемный тензодатчик типа ТДМ системы «Тензор-МС». - measuring device - removable strain gauge type TDM of the Tensor-MS system.

Устройство работает следующим образом.The device works as follows.

Образец 7 крепится в захватах 3, 4. В корне консоли образца 7 устанавливается тензодатчик 5. В захвате 4 закрепляется груз 6. На свободном конце образца 7 закрепляется трехфазный электродинамический вибратор 1, подключенный к частотному преобразователю переменного тока 2. Включение вибратора 1 приводит к возбуждению вертикальных колебаний образца 7. Усилие изгиба, создаваемое на образце, определяется тензодатчиком 5 и задается величиной частоты переменного тока частотного преобразователя 2. Коэффициент асимметрии цикла и частоту совместных колебаний вибратора 1 и образца 7 регулируют величиной частоты переменного тока преобразователя 2. Изменение величины средних напряжений цикла производят путем воздействия статической силы, величина которой задаются весом калиброванного груза 6.Sample 7 is fixed in grips 3, 4. A strain gauge 5 is installed at the root of the sample console 7. A load is fixed in grip 4 6. A three-phase electrodynamic vibrator 1 is attached to the free end of the sample 7, connected to an alternating current frequency converter 2. Turning on the vibrator 1 leads to excitation vertical vibrations of the sample 7. The bending force created on the sample is determined by the strain gauge 5 and is set by the value of the frequency of the alternating current of the frequency converter 2. The asymmetry coefficient of the cycle and the frequency of the combined oscillations of the vibrator 1 and the sample 7 are regulated by the value of the frequency of the alternating current of the converter 2. Change in the value of the average voltages of the cycle produced by the action of a static force, the value of which is set by the weight of the calibrated load 6.

При проведении испытаний листового образца размерами 360×900×12 мм из стали Ст.3 за счет изменения общей массы груза от 10 до 80 кг и частоты колебаний от 5 до 25 Гц была получена возможность варьировать максимальные напряжения цикла от 100 до 4000 кг/см², а коэффициент асимметрии цикла от -1 до +0,8. При испытаниях образца с грузом общей массой 70 кг и работе вибратора на частоте 7 Гц по показаниям съемного тензодатчика 5 были получены максимальные напряжения 2700 кг/см², минимальные - -1200 кг/см². Испытания на долговечность при изгибе показали, что при таком режиме нагружения, трещина усталости в образце образовалась через 87 часов после начала испытаний, т.е. при 2,2⋅10⁶ циклов. Испытания лабораторных образцов при различных режимах нагружения позволяют определить зависимость количества циклов приложения нагрузки от максимальных напряжений цикла и коэффициента асимметрии цикла и построить семейство кривых усталости для прогнозирования долговечности конструкций, подобных лабораторным образцам.When testing a sheet sample with dimensions of 360 × 900 × 12 mm made of steel St. 3, due to a change in the total weight of the load from 10 to 80 kg and the vibration frequency from 5 to 25 Hz, it was possible to vary the maximum cycle stress from 100 to 4000 kg / cm ² , and the cycle asymmetry coefficient is from -1 to +0.8. When testing a sample with a load with a total mass of 70 kg and operating the vibrator at a frequency of 7 Hz, according to the readings of a removable strain gauge 5, the maximum stresses were 2700 kg / cm ² , the minimum ones were -1200 kg / cm ² . Flexural fatigue tests showed that under this loading regime, a fatigue crack in the sample was formed 87 hours after the start of the tests, i.e. at 2.2⋅10 ⁶ cycles. Tests of laboratory specimens under various loading conditions make it possible to determine the dependence of the number of load cycles on the maximum cycle stresses and the cycle asymmetry coefficient and to construct a family of fatigue curves for predicting the durability of structures similar to laboratory specimens.

Таким образом, разработанная для механических испытаний и исследования усталости образцов установка, основанная на моногармоническом циклическом нагружении, в результате применения новых технических решений по формированию напряжений в образце позволила увеличить производительность и достоверность испытаний, обеспечила простую схему приложения внешней нагрузки, проведение усталостных испытаний при изгибе образцов произвольных габаритных размеров, неразрушающий контроль и возможность регулирования параметров режима нагружения, таких как коэффициент асимметрии цикла и частота приложения внешней нагрузки.Thus, the setup developed for mechanical tests and the study of specimen fatigue, based on monoharmonic cyclic loading, as a result of the application of new technical solutions for the formation of stresses in the specimen, made it possible to increase the productivity and reliability of tests, provided a simple scheme for applying an external load, and conduct fatigue tests in bending of specimens. arbitrary overall dimensions, non-destructive testing and the ability to adjust the parameters of the loading mode, such as the cycle asymmetry coefficient and the frequency of external load application.

Claims (2)

1. Установка для механических испытаний образцов листовых материалов на усталость при изгибе, содержащая источник колебаний, захваты для крепления образцов и измерительное устройство, отличающаяся тем, что источник колебаний выполнен в виде трехфазного электродинамического вибратора, подключенного к частотному преобразователю переменного тока, а измерительное устройство представляет собой датчик перемещений, установленный в корне консоли, и снабжена калиброванным грузом, закрепленным на свободном конце образца.1. Installation for mechanical testing of samples of sheet materials for bending fatigue, containing a vibration source, grips for fixing samples and a measuring device, characterized in that the vibration source is made in the form of a three-phase electrodynamic vibrator connected to an AC frequency converter, and the measuring device is is a displacement transducer installed at the root of the console, and is equipped with a calibrated weight attached to the free end of the sample. 2. Установка для механических испытаний образцов листовых материалов на усталость при изгибе по п. 1, отличающаяся тем, что датчик перемещений подключен к ЭВМ.2. Installation for mechanical testing of samples of sheet materials for bending fatigue according to claim 1, characterized in that the displacement sensor is connected to the computer.

Images