пневматическое устройство для исследования прочностных свойств твердых материалов

Формула изобретения

1. Устройство для исследования прочностных свойств твердых материалов, содержащее подвижное и неподвижное основания, механизм нагружения и соединенный с ним первичный измерительный преобразователь, отличающееся тем, что механизм нагружения выполнен в виде пневмоцилиндра, образованного основаниями и эластичным в осевом направлении элементом, установленным между ними, а измерительный преобразователь выполнен в виде пневматического датчика перемещения "сопло-заслонка", причем сопло установлено в неподвижном основании и сообщено с полостью цилиндра, а заслонкой является торцевая поверхность подвижного основания.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в качестве эластичного элемента использован сильфон.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в качестве эластичного элемента использована мембрана.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области исследования материалов путем определения их физических свойств, а более конкретно к устройствам для исследования прочностных свойств твердых материалов.

Наиболее близким по совокупности существенных признаков к изобретению является устройство для исследования прочностных свойств твердых материалов, содержащее подвижное и неподвижное основания, механизм нагружения и соединенный с ним первичный измерительный преобразователь (прибор ПИТМ-ДВ-02 для измерения характеристик прочности, твердости и пластичности материалов по диаграмме вдавливания, изготовитель Научно-производственное предприятие “РобоТест”, паспорт ПИТМДВ02.4271-001 ПС, Москва, 2001 г, стр.7, 8).

Механизм нагружения обеспечивает поступательное перемещение подвижного основания и содержит шаговый двигатель, зубчатую и червячную передачи и передачу винт-гайка, где гайкой является червячное колесо. Первичный измерительный преобразователь выполнен в виде датчика нагрузки, чувствительным элементом которого является плоская пружина. Электрический сигнал с датчика нагрузки пропорционален усилию на испытуемый образец (материал).

Недостатком известного устройства является ограниченная область его использования, а именно для исследования материалов в лабораторных условиях. При проведении длительных активных испытаний в производственных условиях, например материалов, работающих в ядерном реакторе при радиоактивном излучении и высокой температуре, изоляция соединительных проводов и обмоток шагового двигателя в известном устройстве не выдерживает продолжительного воздействия высоких температур, гамма- и нейтронного излучения. Из-за возникшей коррозии электрические контакты разрушаются, что приводит к неработоспособности известного устройства.

Задачей настоящего изобретения является создание работоспособного в экстремальных условиях устройства для исследования прочностных свойств твердых материалов, что позволит расширить область его применения, например, для длительных активных испытаний материалов конструкций ядерного реактора при радиоактивном излучении и высоких температурах.

Техническим результатом настоящего изобретения является обеспечение дистанционного управления величиной усилия с одновременным дистанционным измерением величины перемещения подвижного основания путем создания и использования пневматического сигнала (величины давления газа) в качестве информационного параметра для измерения величин усилия и перемещения. Кроме этого, конструкция пневматического устройства позволит применить в нем только те материалы, которые имеют свойства, необходимые для работы в экстремальных условиях, например коррозионно-стойкую сталь, и, следовательно, исключить электроизоляционные материалы, свойства которых способны ухудшаться под воздействием облучения, высоких температур и коррозионной среды. Кроме этого, особенность функционирования пневматического устройства позволит разместить измерительные приборы (манометры), используемые при проводимом исследовании твердых материалов, на значительном удалении от устройства, что также расширит область его применения.

Указанный технический результат достигается тем, что в известном устройстве для исследования прочностных свойств твердых материалов, содержащем подвижное и неподвижное основания, механизм нагружения и соединенный с ним первичный измерительный преобразователь, механизм нагружения выполнен в виде пневмоцилиндра, образованного основаниями и эластичным в осевом направлении элементом, установленным между ними, а измерительный преобразователь выполнен в виде пневматического датчика перемещения “сопло - заслонка”, причем сопло установлено в неподвижном основании и сообщено с полостью цилиндра, а заслонкой является торцевая поверхность подвижного основания.

Кроме этого, в качестве эластичного элемента использованы сильфон или мембрана.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 представлено устройство для исследования прочностных свойств твердых материалов (поперечный разрез), на фиг.2 изображен пневматический датчик перемещения “сопло-заслонка” (поперечный разрез в увеличенном масштабе), на фиг.3 показано устройство для исследования прочностных свойств твердых материалов с помощью индентора (поперечный разрез).

Устройство для исследования прочностных свойств твердых материалов содержит первичный измерительный преобразователь 1, выполненный в виде пневматического датчика перемещения, состоящего из сопла 2 и заслонки 3, пневматический механизм 4 нагружения, неподвижное основание 5 и основание 6, установленное с возможностью перемещения. Пневматический механизм 4 нагружения выполнен в виде пневмоцилиндра, который образован основаниями 5, 6 и эластичным в осевом направлении элементом 7, установленным между основаниями 5, 6 и выполненным, например, в виде сильфона или мембраны. Подвижное основание 6 может быть выполнено с выступом, который образует подвижную пару с направляющей 8, расположенной внутри пневмоцилиндра 4, и снабжено ограничителем перемещения 9. При этом торцевая поверхность выступа подвижного основания 6 является заслонкой 3 датчика 1 перемещения. Подвижное основание 6 может быть выполнено без выступа, при этом направляющая 8 может иметь другое расположение относительно пневмоцилиндра 4, а торцевая поверхность подвижного основания 6, расположенная над соплом 2, будет являться заслонкой 3 датчика 1 перемещения (упомянутый вид исполнения на чертежах не представлен). В неподвижном основании 5 для входа и выхода рабочей среды - воздуха выполнены соответственно отверстия 10, 11. В отверстие 10 неподвижно установлено сопло 2 датчика перемещения 1, которое соединяет герметичную полость 12 пневмоцилиндра 4 с линией подачи воздуха (на чертеже не показана). К основаниям 5 или 6 может быть прикреплена струбцина 13. На свободный конец струбцины 13 может быть установлен индентер 14.

Устройство работает следующим образом.

Исследуемый материал 15 размещают, например, на подвижном основании 6 и закрепляют струбцину 13 на неподвижном основании 5. При этом индектор 14 расположен между струбциной 13 и материалом (образцом) 15. Для осуществления перемещения подвижного основания 6 и создания усилия воздействия индектора 14 на материал 15 подают газ через сопло 2 или через отверстие 11 (излишки газа могут быть удалены через отверстие 11 в ресивер, на чертеже не показан). В герметичной полости 12 пневмоцилиндра 4 возникает избыточное давление Р, превышающее давление окружающей среды и воздействующее на подвижное основание 6. При этом создается сила, равная F=P·S, где: F - сила; Р - избыточное давление; S - площадь подвижного основания. Поскольку боковые стенки пневмоцилиндра 4 выполнены в осевом направлении эластичными (сильфон или мембрана), то подвижное основание 6 перемещается в осевом направлении, при этом величина его перемещения равна величине зазора 16 между соплом 2 и заслонкой 3, которая измеряется датчиком 1 перемещения “сопло-заслонка”.

Перемещение подвижного основания 6 прекращается в случае, если сила нагружения материала 15 образца будет равна силе F, созданной пневмоцилиндром 4, или если образец 15 будет разрушен (основание 6 остановлено ограничителем перемещения 9). Для измерения перемещения, которое обусловлено вдавливанием индектора 14 в исследуемый материал 15, к соплу 2 подводят газ от источника высокого давления через дроссель (на чертежах не показаны). Газ, выйдя из сопла 2 и пройдя длину измеряемого зазора 16, ударяется в заслонку 3. Величина гидравлического сопротивления, возникающего при ударе, а следовательно, величина перепада давления между линией питания датчика 1 перемещения (входное отверстие 10) и герметичной полостью 12 пневмоцилиндра 4 зависит от величины измеряемого зазора 16. В соответствии с законом Паскаля величина давления на линии газа не зависит от места его измерения, например, в полости 12, в сопле 2 или в любой точке линии газа, сообщенной с ними, измеряемые величины давления равны. Поэтому давление газа можно измерять на значительном удалении от устройства, размещенного в экстремальных условиях, влияющих на работоспособность приборов. Таким образом, измерив величины давлений в подводящей газ линии - линии питания датчика 1 перемещения (входное отверстие 10) и отводящей линии (выходное отверстие 11) и вычислив разницу между ними, можно получить величину, зависящую от измеряемого зазора 16.