Способ определения усилия внедрения бойка

Способ определения усилия внедрения бойка

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

СОЮЗ СОВЕТСКИХ . СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИН ()9) (11;

Р

«

« ,3(Я) G

ГОСУДАРСТ8ЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИИ ,:;«» ., У

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМ .Ф СВИДЕТЕЛЬСТВУ

4 2 > с-0«11„; г=F . С, v., е,р»

Еp где L D

Г4F

Р Р1е-! (21) 3431245/18-10 (22) 22.04.82 (46) 07.09.83. Бюл. И 33 (72) Г.В. Степанов и А.П. Ващенко (71) Институт проблем прочности АН

Украинской ССР (53) 531.781(088.8) (56) 1ь Батуев Г.С. и др. Инженер, ные методы исследования ударных про-, цессов. M., "Машиностроение", 1969 с. 8-10, 54-55, 123-126, 131, 134. . 2. Некоторые проблемы прочности твердого тела. Сборник. И., Изд-во

АН СССР, 1959; с. 207-221 (прототип)..: (54)(57) 1. СНОС()Б ОПРЕДЕЛЕНИЯ УСИЛИЯ

ВНЕДРЕНИЯ БОЙКА, заключающийся в том, что боек, состоящий иэ наконечника и стержневой части, соударяют в испы". тательной установке с преградой и ре",гистрируют параметр, по которому pac" считывают усил е внедрения, о т л и -. ч а ю шийся тем, что, с целью повыщения точности определения путем .-. чета волновых процессов s бойке, по неподвижно установленному в испытатель-: йои установке бойку ударяют преградоЖ J путем сообщения последней заданной,, скорости разгона, а в качестве параметра, по которому рассчитывают усилие внедрения, измеряют упругую деформацию поверхности стержневой части бойка, размеры которой выбирают иэ следующих условии; длина; максимальный расчетный поперечный размер; площадь. поперечного сечения; длительность испытания; площадь поперечного сечения наконечника бойка на границе со стержневой частью; модули упругости материала соответственно стержневой части и наконечника бойка; плотности материала соответственно стержневой части и наконечника бойка; скорость звука в материале стержневой части.

2. Способ по и. 1, о т л и ч а юшийся тем, что в качестве стержневой части бойка используют металлический стержень с внешними продольными пазами.

3. Способ по и. 1, о т л и ч а ю шийся тем, что в качестве стержневой части бойка используют набор

40353 параллельных металлических стержней, помещенных в кожух и соединенных между со6ой материалом с низкой акустической жесткостью.

4. 0nocn6 по и. 3, о т л и ч а юшийся тем, что в качестве материала с низкой акустической жесткостью используют парафин.

1

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к способам определения усилия внедрения Ьойка в преграду, и может найти применение при динамических, испытаниях 5 конструкционных материалов.

Известен способ определения усилия внедрения бойка, заключающийся в том, что боек, прикрепленный к массивному контейнеру, соударяют с непо- 1О движной преградой B виде плиты (например, сбрасывают контейнер с бойком на плиту) и с помощью закрепленного на контейнере высокочастотного . пьезоэлектрического датчика регист- 15 рируют ускорение контейнера. По полученной экспериментальной кривой изменения ускорения во времени рассчитывают усилие внедрения бойка в преграду 11)., 20

Недостатком этого способа являет" ся низкая точность, оЬусловленная тем, что усилие рассчитывают по уско-.. рению движущегося тела, принимая его абсолютно жестким, т.е. считая, что 25 .ускорение всех точек бойка и контейнера одинаково. Однако при внедрении с высокой скоростью распределение по телу ускорений отличается от однородного и является результатом распрост- 3О ранения в теле волн нагрузки, их отражения от свободной поверхности и взаимодействия между собой. Поэтому регистрация ускорения одной из точек движущегося тела позволяет рассчиты35 вать усилие ударного внедрения с по- грешностью, возрастающей с ростом неоднородности распределвния ускорений» имеющей место при повышении скорости внедрения. вследствие этого при скоростях нагружения более 10 м/с способ неприемлем.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является спо2 соЬ определения усилия внедрения бойка, заключающийся в том, что боек, содержащий наконечник и стержневую часть, соударяют в испытательной установке с преградои.,регистрируют пара" метр, Qo которому рассчитывают усилие внедрения, При этом боек разгоняют в стволе установки до скоростей 1001000 м/с, внедряют в неподвижную преграду и с помощью фоторегистрации получают диаграмму перемещения во времени торца стержневой части бойка. По этой диаграмме в результате двухкратного графического дифференцирования определяют ускорение бойка, являющееся расчетным параметром для опреде- ления усилия внедрения (2) .

Однако рвгистрируемая кривая может быть получена только для начального периода внедрения, а точность опреде-.: ления сопротивления материала внедре" . нию бойка составляет 15-20 . Причем достижение такой точности возможно только при относительно длинном участке кривой путь - время. Известный спосоЬ также не учитывает волновой характер нагружения Ьойка (ускорение торца бойка принимается за ускорение всех точек движущегося тела), что вносит дополнительную погрешность при определении усилия внедрения. Таким образом, недостаток известного способа обусловлен низкой точностью определения расчетного параметра.

Цель изобретения - повышение точности определения усилия внедрения бойка путем учета волновых процессов в бойке.

Поставленная цель достигается тем, что согласно способу определения усилия внедрения бойка, заключающемуся в том, что боек, содержащий наконечник и стержневую часть, соударяют в испытательной установке с преградой

3 10403 и регистрируют параметр, по которому рассчитывают усилие внедрения, по неподвижно установленному в испытательной установке бойку ударяют прегра- дой путем сообщения последней заданной скорости разгона, а в качестве параметра, по. которому рассчитываЮт усилие внедрения, измеряют упругую деформацию, поверхности стержневой части бойка, размеры которой выбирают,, 10 из следующих условий:

1ц С D » 7» .

Ь > — "» — боqt „; F=F, где (, - длина;

0 - максимальный расчетный поперечный размер;.. г — площадь поперечного сечения; п — длительность испытания, » - площадь поперечного сечения наконечника бойка на грани-це со стержневой частью;

Е, » — модули упругости материала соответственно стержневой части и наконечника бойка;.:

«Р .,Р»- плотности материала соответ-. с ственно стержневой части и.наконечника бойка.

С - скорость звука в материале стержневой части. 30

В качестве стержневой части бойка используют металлический стержень-с внешними продольными пазами.

В качестве стержневой части бойка используют набор параллельных металлических стержней, помещенных в ко.жух и соединенных между собой мате-,. риалом с низкой акустической жесткостью.

В качестве материала с низкой 4О акустической жесткостью используют, парафин.

На фиг. 1 приведена схема устрой ства для осуществления предлагаемого: способа;.на фиг. 2 — схема калибров-. ки измерительной цепи устройства; на фиг. 3 - схема бойка со стержневой, частью, вып» лненной в виде набора г9.. раллельных металлических стержней;. на фиг. 4 - разрез А-А на фиг; 3;:на фиг. 5 — разрез Б-Б на фиг. 3; на

50 фиг. 6 - схема бойка со стержневой, частью, выполненной с внешними про.-. дольными пазами; на фиг. 7 - разрез:

В=В на фиг. 6.

Ствол 1 устройства служит для cdобщения заданной скорости V0 подвижной преграде 2. На конце ствола 1. закреплен фланец 3, к которому на шпйль

53 4 ках 4 прикреплен опорный диск 5. На диске 5 закреплен неподвижный боек 6 с наконечником 7 и стержневой частью 8, выполненный, например, как единое целое из термообработанной легированной стали. Размеры стержневой части 8 бойка 6 выбирают из указанных условий, при этом в качестве максимального расчетного поперечного размера D цилиндрической стержневой части бойка используют ее диаметр d1 . На боковой поверхности стержневой части 8 бойка 6 на расстоянии 1,5-2 ее диаметра от наконечника 7 наклеены тензореэисторы 9 (8») типа ИКБ-5-100.

Тензорезисторы 9 являются одним иэ плеч моста 10 постоянного тока, соеди ненного с осциллографом 11. В .состав моста 10 постоянного тока входит ка- либровочное сопротивление 12 (Й ), для подключения которого параллельно тен" эорезисторам 9 имеется кнопка 13 с контактами 14 и 15, Контакт 15 кнопки служит для запуска от прибора 16 развертки осциллографа -11, работающего в ждущем режиме.

Способ осуществляют следующим образом.

Непосредственно перед испытанием (за 1-2 с) проводят калибровку изме" рительной цепи в динамическом режиме.

Для этого нажимают кнопку 13, при сра батывании которой замыкаются контак" ты 14 и 15, причем контакт 14 замыкается через заданный промежуток времени после срабатывания контакта 15.

При этом запускается развертка осциллографа 11, а параллельно тензорезисторам 9 включается калибровочное сопротивление 12. В результате создается разбаланс моста 10 постоянного .тока, и образующийся вследствие этого на выходе моста постоянного тока электрический сигнал подается на осциллограф,11. Калибровочную осциллограмму фотографируют, после чего oc" циллограф снова включают в ждущий режим.

Далее подвижную преграду 2, выполненную, например, в виде стакана, раз. гоняют по"стволу 1 баллистической установки до скорости, обеспечивающей заданную силу удара, и ударяют ею по неподвижному бойку 6. В результате со ударения преграды 2 с наконечником 7

1 последний нагружается импульсом, который проходит в стержневую часть 8, вызывая ее упругую деформацию, регистР

5 1040 рируемую с помощью тензорезисторов 9.

Изменение сопротивления тензорезисторов 9 под действием импульса нагруз . ки вызывает разбаланс моста 10 постоянного тока, а образующийся при этом электрический сигнал поступаеГ на вход осциллографа 11, с трубки кото- . рого фотографируется эксперименталь» ная осциллограмма.

Затем проводят обработку калибро- 10 вочной и экспериментальной осцилло" грамм. Вначале Рассчитывают величину изменения сопротивления,д g тензорезисторов 9, вызванного параллельным подключением к ним калибровочно-. 15

ro сопротивления 12, из соотношения . кл 1 2

1 л о +о

Ио известному соотношению

ЬРл 1 20 г.

К где К - коэффицьЬнт тензочувствительности тензорезисторов, указанный эаво дом"изготовителем, определяют величи-. ну относительной деформации 1 g упруг,25 гой стержневой части 8 бойка 6, соот- ветствукщую изменению сопротивления

1;

Затем на экспериментальной осцил" лограмме определяют в миллиметрах ее ординату (р, соответствующую усилию внедрения р в опРеделенный момент времени, а на калибровочной осциллограмме - ее ординату У<, соответствующую относительной деформации E, после чего из пропорции к 1к

Ур- Eр определяют относительную деформацию

Ур

Я =Ек УПРУгой стеРжневой 40 fit части 8 бойка 6, соответствующую уси" лию внедрения,р в определенный момент времени.

По известному .соотношению Р . 45

Я EE определяют усилие, действу- ющее в стержневой части 8 бойка 6, равное усилию внедрения бойка в преграду 2. Полученное значение усилия спольэуют для Расчетов на прочность 50 конструкций, подверженных. ударному нагружению.

Использование предлагаемого спо" соба с применением бойка 6, наконечник 7 которого выполнен за одно целое со стержневой частью 8 сплошного по- 5 перечного сечения, будет эффективным при соблюдении всех трех, указанных условий выбора размеров стержневой

353 d части бойка. Так,при длительности испытания, т.е. промежутке времени, в течение которого регистрируют. усилие внедрения бойка, фп = ?О мкс и площади поперечного сечения, наконечника на границе со стержневой частью бойка Г, = /8,5 мм диаметр d < стержне" 2 вой части 8 бойка 6 из условий (2) и (3) равен 10 мм. В.случае необходимос- ти исследовать при той же длительности испытания боек с большей плофадью поперечного сечения наконечника, например с F| = 1256 мм2, диаметр стержневой части 8 бойка 6, равный по условию (3) 40 мм, не удовлетворяет условию (2 (в 4 раза превышает допустимый размер d = 10 мм) ..

Выполнение условия (2) обеспечивает частоту поперечных колебаний стержне-,вой части 8, возникающих при внедре" нии бойка 6 в подвижную преграду 2, при которой возможно их усреднение и, следовательно, точная регистрация деформации р (усреднение возможно, ког. да период этих поперечных колебаний на порядок меньше длительности испытания 1 1, Когда для стержневой части 8 сплош" ного поперечного сечения бойка 6 од- . новременное выполнение условий (2) и.(Я не представляется возможным (на" пример, при заданных 1ц = 20 мкс и

F 1 = 1256 мм) предлагается вариант конструкции бойка 6 {фиг. 3), стерж- . невую часть 8 которого изготавливают иэ набора тонких параллельных металлических стержней 17, соединенных между собой для предотвращения потери продольной устойчивости материа.лом 18 с низкой акустической жест: костью, например парафином, и помещенных в кожух 19.

В этом случае тенэорезисторами, на-, клеенными только на одном из стержней 17, регистрируют упругую деформацию этого стержня, диаметр Д которого явля- ется .максимальным расчетным поперечным 1 размеромЗ в условии (21 (Д .У- < 10 мм), а общая площадь поперечного сечения F всех тонких металлических стержней 17 удовлетворяет условию (3)). Усилие " внедрения бойка 6 равно произведению усилия, действующего в одном тонком металлическом стержне 17, на их количество в .наборе, образующем стержневую часть 8.

Особенностью этого варианта конструкции бойка 6 является наличие в наконечнике 7, прикрепленном, например, 1040353 путем приклеивания к стержневой части 8, продольных внешних пазов 20, обеспечивающих на границе наконечник " стержневая часть в соответствии с условием (3) согласование пло- 5 щадей поперечных сечений наконечника 7 (Р1) и. набора тонких металлических стержней 17(F) . Такая конструкция бойка обеспечивает точное определение усилия при его внедрении в no" движную преграду .2.

При другом варианте конструкции бойка 6, обеспечивающем в силу одно" временного выполнения условий (2) и (3) точность регистрации расчетного 15 параметра при больших площадях поперечного сечения наконечника F g в мес .:те его соединения, например, с помощью склеивания со стержневой частью и малых длительностях испытания tg 20 (например, при тех же F1 1256 мм2 и, ц =. 20 мкс), в качестве стержне"

° 1 вой части 8 используют металлический стержень с внешними продольными пазами 21 (фиг. 6, 7g. Ири этом в ка-.25 честве максимального расчетного поперечного размера 2 стержневой части 8 используют наибольший размер из ,-h или р, который для указанных условий испытания не должен превышать 10 мм.

Как и при варианте, показанном на фиг. 3, наконечник 7, бойка. 6 выпол.";, нен с продольными пазами 20, обеспе" чивающими s соответствии с услови-. ем (3) согласование площади его по 35 перечного сечения F) с площадью поперечного сечения F стержневой час-. ти 8 на границе с последней. Ири изготовлении из одного материала наконечник 7 и стержневая часть 8 мо. 40 гут быть выполнены как единое целое.

Во всех трех вариантах конструкции бойка (фиг. 1, 3 и 6) длину стержне- " вой части выбирают из условий (1} .

«Такая длина в течение длительности испытания ц обеспечивает регистрацию экспериментальной осциллограм" иы без ее искажения наложением про-. дольной волны нагрузки, отраженной от закрепленного на опорном диске 5 :50 конца стержневой части 8 бойка 6, поскольку время пробега продольной упругой волны удвоенной длины стержневой части бойка превышает длительность испытания tq .

: 55.

Выполнение условия (3) обеспечива" ет прохождение образующегося при соударении неподвижного бойка 6"с по" двйжной преградой 2 импульса нагруэки из наконечника 7 в стержневую часть 8 беэ его отражения на границе наконечник - стержневая часть. Такое отражение привело бы к тому, что при переходе импульса нагрузки из наконечника в стержневую часть этот импульс разделился бы на отраженную волну и волну, прошедшую в стержневую часть, вследствие чего зарегистрированная деформация стержневой части не соответствовала бы действительному усилию внедрения бойка.

В случае, если элементы бойка вы" полнены иэ одного материала, то площади поперечных сечений наконечника

7 и стержневой части F на границе их раздела равны. Если же наконечник 7 и стержневая часть 8 бойка 6 выполнены из материалов с разными значениями плотности P q, $ и модуля ynpyroc ти 7<, E например, наконечник иэго", товлен из вольфрама (p,= 4,2 г/см5, Е .= 19,3 ° 104 кг/мм ), а стержневая . часть - из стали (о = 7 8 г/см ; E

= 2,1 ° 10 . кг/мм ), то площади их поперечных сечений на границе раздела. в соответствии с условием (3) будут разными. Так, в случае выполнения бойка из вольфрама и стали при заданной площади поперечного сечения наконечника Г = 1256 мм площадь поперечно" го сечения стержневой части Г должна быть равна 2794 мм

Ири предварительной калибровке из" мерительной цепи устройства в динамическом режиме величину калибровочно-; го сопротивления 12 выбирают такой,1 чтобы вызываемый им разбаланс мос" та 10 постоянного тока был примерно равен разбалансу о;; упругого дефор" мирования стержневой части 8 бойка 6.

Такой предварительный подбор калибровочного сопротивления 12 обеспечивает более точное сопоставление экс" периментальной и калибровочной осциллограмм, необходимое,для расчета усилия внедрения бойка 6. . Преимуществом предлагаемого способа является высокая точность определения усилия внедрения бойка благодаря регистрации упругой деформации стержневой части бойка, которая непосредственно связана с величиной . усилия внедрения. Такая точность обеС печивается учетом волновых процессов в бойке, что позволяет избежать дополнительных погрешностей, которые неизбежно возникают при обработке

10403 регистрируемого .параметра, косвеннсу связанного с усилием внедрения.

Учет волновых процессов основан на использовании бойков с подобранными конструкцией и размерами стврж- 5 невой части. Так, выбор длины стержневой части бойка по условию (1) обеспечивает устранвние искажающего влияния продольной упругой волны нагрузки, отраженной от конца стержневой 10 части, соединенной с опорным диском, на регистрируемую экспериментальную осциллограмму. Выбор максимального расчетного поперечного размера стержневой части Ьойка по условию (2) .. 15 обеспечивает возможность усреднения поперечных колебаний на регистрируемой экспериментальной осциллограмме.

Выбор площади поперечного сечения стержневой части бойка в зависимости от заданной площади поперечного

53 10 сечения наконечника по условию t 3j оЬеспечивает устранение искажений, связанных с отражением импульса -нагрузки на границе наконечник — стерж невая часть.

Кроме того, использование операции предварительной калибровки измерительной цепи устройства в динамическом режиме сводит до минимума погрешности, обусловленные колебани.вми напряжения питания моста. постоянного тока и чувствительности осциллограФа, что повышает точность обработки сигнала, полученного с тензорезисторов.

В результате общая погреиность определения усилия внедрения Ьойка по предлагаемому способу в любой момент времени испытания не превышает

54> что в несколько раз точнее, чем при использовании способа-прототипа.

1040353

ВНИИПИ Заказ 6917/45 ТиРаж 873 Подписно

Ф Ф

Филиал ППП "Патент", r. Ужгород, ул. Проектная, 4