учебный прибор по сопротивлению материалов

Формула изобретения

Учебный прибор по сопротивлению материалов, содержащий основание, на котором смонтирована на опорах горизонтальная балка, линейную шкалу, первый и второй грузы, отличающийся тем, что в него введены вертикальный стержень, установленный на основании и охваченный винтовой пружиной, шайба, имеющая возможность скольжения по вертикальному стержню, телескопическая стойка с зажимом и кронштейном для фиксации первого или второго груза на заданной высоте, два пишущих устройства, одно из которых установлено на шайбе, а другое - на горизонтальной балке, барабан с носителем графической информации, сидящий на валу двигателя, жестко связанного с рычагом, установленным с возможностью поворота вокруг вертикальной оси для поочередного соприкосновения носителя графической информации с пишущими устройствами, вертикальная стойка, установленная на горизонтальной балке, при этом первый груз имеет возможность скольжения по вертикальному стержню, а второй - по вертикальной стойке, линейная шкала установлена на телескопической стойке для определения высоты подъема грузов.

Описание изобретения к патенту

Устройство относится к учебным приборам по курсу сопротивление материалов, в частности для определения характера действия статических и динамических нагрузок на элементы конструкций. Прибор может быть использован во всех высших и средних технических учебных заведениях.

Известен прибор (А.с. N 1592860. Учебный прибор по сопротивлению материалов/ Ю.М. Барданов, М.А. Вильга. МКИ G 09 В 23/06. Бюл. N 34, 1990), содержащий две вертикально установленные на основании упругие пластины, соединенные между собой в верхней части перемычкой, в средней части которой закреплен трос, проходящий между двумя направляющими роликами, имеющими средства фиксации, и через отверстия в основании, а также закрепленный на свободно висящем конце троса груз, направляющие ролики закреплены на рейке, имеющие на концах ползуны, образующие поступательную пару с вертикально, установленными на основании стойками.

Признаки, совпадающие с признаками изобретения, приведены ниже.

Причины, препятствующие достижению технического результата:

- прибор не позволяет осуществлять демонстрацию действия динамических нагрузок при осевом или поперечных ударах;

- прибор не позволяет получать графики экспериментов.

Известна установка (Н. М. Беляев. Лабораторные работы по сопротивлению материалов. М. - Л. : ГИТТЛ, 1952, с. 280 - 281), которая содержит гибкую стальную балку с заданным пролетом шарнирно прикреплена к двум опорам, одна из которых выполнена в виде качающейся стойки, эквивалентной катковой опоре. В середине пролета балки к ней неподвижно при помощи хомута прикреплен конический штырь, на который плотно садится падающий груз. Последний, заклиниваясь на конусе, совершает вместе с балкой колебания после удара. Величина динамического прогиба, а также амплитуда возникших после удара колебаний (первое перемещение вниз и вверх), зачерчиваются прикрепленным к хомуту пружинящим карандашом на целлулоидной рейке с миллиметровой шкалой. Положение рейки регулируется двумя винтами.

Подъем груза на требуемую высоту производится вращением маховичка, имеющего тормозную пружину. На ось маховичка неподвижно насажена катушка с нитью, перекинутой через блоки. На конце нити привязывается груз. Сбрасывание груза производится путем пережигания (или перерезывания) нити.

Признаки, совпадающие с признаками изобретения, приведены ниже.

Причины, препятствующие достижению технического результата:

- устройство не позволяет получить совмещенные графики различных режимов испытания (статического, динамического и т.п.);

- проведение экспериментов в динамических режимах требует повышенной точности при сбрасывании груза и не позволяет визуально на шкале определить начало мгновенного приложения нагрузки;

- установка не позволяет производить динамические исследования при осевом ударе.

Наиболее близким по технической реализации является прибор (А.с. N 1585839. Учебный прибор по сопротивлению материалов/ Л.Т. Шаповалов. G 09 В 25/02. Бюл. , 1990, N 30), содержащий консольно закрепленную на основании горизонтальную балку, средство нагружения балки, имеющее подвешиваемый к балке груз, средство регистрации изгиба балки с линейной шкалой, вертикальную панель, имеющую сквозные отверстия для закрепления на разной высоте от балки груза, средство нагружения балки, снабженное связанным с грузом крюком, охватывающим балку, и штыревым упором, предназначенным для подвешивания крюка в одном из сквозных отверстий панели, а средство регистрации изгиба балки, состоящей из взаимодействующего с подвижным концом балки магнитного ползуна, размещенного на линейной шкале посредством вертикальной натянутой гибкой связи, установленной с тыльной стороны панели магнитного фиксатора, при этом балка снабжена ограничителем перемещения крюка.

Признаки, совпадающие с признаками изобретения, приведены ниже.

Причины, препятствующие достижению технического результата:

- осуществлять эксперимент при осевой динамической нагрузке;

- осуществлять беззазорное положение балки и груза при проведении эксперимента при мгновенно приложенной нагрузке;

- сравнивать результаты различных экспериментов в виде графиков;

- осуществлять крепление груза к вертикальной панели на любой высоте, а не только в дискретных положениях, что заметно ухудшает дидактические возможности устройства.

Задачей предлагаемого изобретения является создание лабораторной установки, устраняющей перечисленные выше недостатки, расширяющей диапазон решаемых задач и позволяющей сравнивать результаты различных экспериментов в виде графиков.

Для достижения необходимого технического результата в учебном приборе по сопротивлению материалов, содержащем основание, на котором смонтирована балка на опорах с грузами, и линейную шкалу, отличающийся тем, что на основании дополнительно установлены вертикальная стойка, охватываемая винтовой пружиной, телескопическая стойка с зажимом и кронштейном с возможностью фиксировать груз на заданной высоте, рычаг с жестко закрепленным на нем корпусом электродвигателя, на валу которого жестко укреплен барабан, на котором намотана лента, для записи графической информации с возможностью поворота рычага с двигателем и барабаном относительно вертикальной оси до соприкосновения с одним из пишущих устройств, пишущие устройства, одно из которых установлено на балке, а другое на шайбе, которая сидит на пружине и может с ней перемещаться по вертикальной стойке, стойка устанавливается на балке для направленного перемещения груза.

Для проведения сравнительного анализа заявляемого устройства, прототипа и аналога расположим их признаки в таблицу.

Лабораторная установка может быть использована во всех высших и средних технических учебных заведениях при проведении лабораторных работ по курсу сопротивление материалов, в частности:

- для определения коэффициентов динамических нагрузок при действии грузов поперек оси балки;

- для получения графиков соответствующих статическому и динамическому нагружению;

- для определения упругой деформации исследуемых элементов конструкций.

Устройство относится к учебным приборам по курсу сопротивление материалов, в частности для определения характера действия статических и динамических нагрузок на элементы конструкций. Прибор может быть использован во всех высших и средних технических учебных заведениях.

На фиг. 1 приведена лабораторная установка, на фиг. 2 - график для практического определения динамического коэффициента при ударе.

Учебная установка содержит основание 1, на котором монтируются:

- горизонтальная балка 2 в опорах 3;

- вертикальная стойка 4, которая выполняет ряд назначений - одно из них служить направляющей для пружины 5, обеспечивая ей вертикальное и устойчивое положение;

- электродвигатель 6, имеющий возможность поворота вокруг оси 7;

- барабан 8 с носителем графической информации (бумажная лента), сидящий жестко на валу электродвигателя 6;

- телескопическая стойка 9, имеющая возможность изменять свою высоту, с втулочным зажимом 10 и кронштейном 11;

- шайба 12, установленная с зазором на стойке 4 и лежащая на верхней части пружины 5;

- пишущие устройства 13, 14, одно из которых установлено на горизонтальной балке 2, а другое - на шайбе 12, причем они должны соприкасаться с лентой на барабане 8 поочередно при повороте относительно оси 7 рычага 15, на котором жестко установлен корпус электродвигателя 6. На валу электродвигателя 6 жестко закреплен барабан 8, вращающийся с валом электродвигателя как одно целое. На барабане 8 намотана бумажная лента для записи графической информации, чтобы записывать графическую информацию, лента должна прикасаться к пишущим устройствам 13 или 14. Для этого рычаг 15 (с последующей его фиксацией) поворачивают на небольшой угол относительно оси 7 в одну сторону до соприкосновения с записывающим устройством 13, когда определяется прогиб балки 2 (позиция А), или другую сторону до соприкосновения с записывающим устройством 14, когда определяется прогиб пружины 5 (позиция Б);

- вертикальная стойка 16, жестко зафиксированная на балке 2, служит направляющей при падении груза 17 с высоты h. Для этого у груза 17 есть отверстие, несколько большее, чем диаметр вертикальной стойки 16. На фиг. 1 груз 17 зафиксирован в момент соприкосновения с балкой 2 при падении;

- груз 18 устанавливают на стойке 4. Для этого у груза 18 имеется отверстие, диаметр которого несколько больше диаметра стойки 4. При падении груза 18 он ударяет по шайбе 12 с пишущим устройством 14, перемещая ее с пружиной 5. На фиг. 1 груз 18 показан в исходном положении, поддерживаемый кронштейном 11;

- линейная шкала 19 для визуального определения высоты подъема груза, которая установлена на телескопической стойке 9 с возможностью ее поворота вокруг нее.

Лабораторная установка служит для выполнения студенческой работы по курсу сопротивление материалов для изучения темы "Определение коэффициента динамической нагрузки при осевом и поперечном ударе".

Лабораторная установка работает в четырех режимах.

Исходное (ненагруженное) положение установки. Рычагом 15 поворачивают двигатель 6 с барабаном 8 к пишущему устройству 13 балки 2 (положение А) или пишущему устройству 14 шайбы 12 (положение В). Включают электродвигатель 6, при этом на барабане 8 прочерчивается линия, соответствующая ненагруженному состоянию системы (фиг. 2, линия а). Электродвигатель выключают.

Режим статической нагрузки. Груз 17 или 18 медленно опускают до соприкосновения с балкой 2 или шайбой 12, то есть осуществляют статическое нагружение балки 2 или пружины 5, и тем самым происходит их деформация (прогиб), величину которого необходимо зафиксировать. Для этого включают электродвигатель 6, а на ленте барабана 8 прочерчивается линия (фиг. 2, линия б), которая показывает соответствующую статическую деформацию. Двигатель 6 выключают.

Расстояние между линиями а (ненагруженное состояние) и линией б (статическое нагружение) определяет искомую статическую деформацию.

Режим динамической нагрузки. Груз 17 или 18 поднимают на высоту h и фиксируют его с помощью кронштейна 11 и зажима 10. Включают электродвигатель 6 и отпускают груз, сдвинув кронштейн 11 в сторону. При этом на ленте барабана 8 прочертится синусоидальная линия (фиг. 2, линия в), амплитуда (вертикальная высота) которой соответствует максимальной деформации при ударе. Электродвигатель выключают.

Режим мгновенной динамической нагрузки. Груз 17 или 18 устанавливают на балку 2 или соответственно на шайбу 12. Эти грузы уравновешивают снизу кронштейном 11 таким образом, чтобы соответствующее пишущее устройство заняло положение на линии а, которая выражает положение устройства при ненагруженном его состоянии, то есть в уравновешенном состоянии. Включают электродвигатель 6 и мгновенно нажимают на телескопическую стойку 9, при этом кронштейн 11, служащий уравновешивающей опорой для соответствующего груза, мгновенно убирается. В результате на балку действует мгновенная динамическая нагрузка, что графически выражается на ленте барабана 8 в виде синусоидальной кривой. Амплитуда (вертикальная высота) полученного графика соответствует величине динамической деформации при мгновенной нагрузке.

Коэффициент динамической нагрузки k_д теоретически определяется по формуле

k_д = 1+(1+2h/l)^1/2,

где h - высота падения груза,

l - прогиб при статическом приложении нагрузки.

По результатам эксперимента коэффициент динамической нагрузки k"_д определяется по формуле

k"_д= l_д/l_ст ,

где l_д - прогиб при динамической нагрузке, который получают экспериментальным путем (амплитуда синусоидальной кривой),

l_ст - прогиб при статическом действии нагрузки.

Для случая мгновенного приложения нагрузки (h = 0) теоретическая формула приобретает вид k_д = 2, что видно из графика, ибо l_д = 2l_ст, что и подтверждается экспериментально.

Коэффициент динамической нагрузки, подсчитанный опытным путем, обычно несколько ниже теоретического, так как часть кинетической энергии ударяющего груза будет рассеяна, а при выводе теоретической формулы коэффициента динамической нагрузки исходят из того, что кинетическая энергия ударяющего груза целиком переходит в кинетическую энергию деформации исследуемого бруса [1, с. 282].

Литература

1. Беляев Н.М. Лабораторные работы по сопротивлению материалов. М. - Л.: ГИТТЛ. - 1952. - 336 с. Ти