Прп мультипрограммном режиме в ЭВМ находятся одновременно несколько задач, которые параллельно обрабатываются ее устрой­ ствами. Число задач, проходящих одновременную обработку, зависит от числа и типа процессоров в системе, от количества периферийных процессоров, а при наличии в системе мультиплексора — в основном определяется ресурсами ОЗУ. В средних моделях ЕС ЭВМ, которые относятся к машинам третьего поколения, количество активных па­ раллельно решаемых задач может быть доведено до 16.

В пакетном режиме в ЭВМ проводятся такие виды работ, кото­ рые, во-первых, не требуют постоянного контроля со стороны иссле­ дователя и, во-вторых, не используются для оперативного управле­ ния ходом эксперимента. При реализации этого режима результаты обработки задач могут выдаваться с планируемой достаточно боль­ шой задержкой.

Режим разделения времени предназначен для одновременной ра­ боты нескольких исследователей на ЭВМ, которым периодически поочередно после фиксированного интервала предоставляется ма­ шинное время для продвижения в решении своей задачи на такой отрезок программы, после которого будет необходима пауза для оценки промежуточного результата. Этот режим, так же как и па­ кетный, при проведении эксперимента не применяется, а находит основное использование на этапах отладки задач или анализа резуль­ татов, требующих вычислений на ЭВМ среднего класса.

Режим реального времени наиболее часто реализуется в автома­ тизированных системах научных исследований, так как он позволяет системе быстро реагировать на изменения в протекании эксперимента и осуществлять быструю, в течение заданного малого интервала вре­ мени, обработку на ЭВМ поступающей входной информации. Для режима реального времени предпочтительнее использовать миниЭВМ (если позволяет сложность задачи), так как этот режим, как правило, является монопольным, а большие ЭВМ в монопольном режиме эксплуатировать нецелесообразно. Для осуществления этого режима разрабатываются специальные операционные системы уп­ равления с достаточно узкими функциями и с высоким быстродей­ ствием.

В системах автоматизации эксперимента необходимо обоснованно выбирать режимы работы ЭВМ соответствующими их уровню и только после этого создавать программное обеспечение.

2. Автоматизация управления установками

Применение автоматизированных установок позволяет наряду с по­ вышением эффективности и производительности труда исследователя существенно повысить качество получаемой информации, особенно при сложных режимах нагружения, которые реализуются, напри­ мер, в процессе таких испытаний, как испытания на усталость при программированном и случайном изменении нагрузок, на малоцик­ ловую усталость при жестком нагружении, на статическую и цикли­ ческую релаксацию папряжепий. Опыт эксплуатации систем авто-

матпзации эксперимента показывает, что производительность труда в этом случае возрастает в 10— 100 раз, а повышение достоверности опытных данных за счет расширения возможностей управления соз­ дает основу для получения качественно новых результатов, которые нельзя получить на традиционных установках, не оснащенных вычислительными комплексами. Так, в связи со сложностью воспроиз­ ведения при ручном управлении для условий плоского напряженного состояния некоторых режимов испытаний без применения авто­ матизированных систем практически невозможно исследовать влия­ ние истории нагружения на прочность и пластичность материалов. Только управляемые от ЭВМ установки обеспечивают гарантиро­ ванное воспроизведение произвольных траекторий деформирования и нагружения, получение при таких траекториях предельных поверх­ ностей прочности, установление соответствующих критериев пре­ дельного состояния и конкретизацию функций, входящих в урав­ нения теорий пластичности для сложных процессов нагружепия.

Основным элементом в составе автоматизированного испытатель­ ного комплекса является вычислительная система, в которую наряду с главной ЭВМ могут входить периферийные процессоры. К основным функциям вычислительной системы относятся следующие [18]: уп­ равление процессом деформирования при жестком и процессом пагружения при мягком режимах испытаний; контроль функциониро­ вания отдельных блоков автоматизированного комплекса и управ­ ление их работой; диагностика состояния комплекса и ликвидация аварийных ситуаций; обработка результатов испытаний и их пред­ ставление в соответствующей форме.

Собственно управление процессом испытаний может реализовать­ ся в двух вариантах. Первый из них связан с обеспечением стабили­ зированного воздействия внешних факторов па объект исследования и измерительную систему. При таких испытаниях все параметры системы поддерживаются постоянными. В качестве примера варианта такого управления можно рассматривать управление процессом ис­ пытаний на ползучесть, когда от начала нагружения образца и до его разрушения постоянными поддерживаются нагрузка или напря­ жение, либо процессом испытаний на релаксационную стойкость, когда поддерживается постоянной начальная суммарная деформа­ ция образца.

При втором способе управления контролируемый параметр про­ цесса должеп изменятся по задапному закону, вызывая изменепие состояния объекта исследования. Такой режим управления харак­ терен для испытаний на кратковременную прочность, малоцпкловуго и многоцикловуто усталость, циклическую релаксацию и цикличе­ скую ползучесть.

Стабилизация процесса испытаний осуществляется двумя спосо­ бами — по возмущению и по отклонению [21]. В первом случае па объект исследования действует некоторое возмущение; оно регистри­ руется, после чего производится его измерение с помощью специаль­ ного блока, который сравнивает значение возмущения с эталопным значением и вырабатывает сигнал управления воздействием па си­

стему для компенсации возмущения. При использовании этого спо­ соба оперируют с той физической величиной, которая является воз­ мущающей. Ее возмущение действует одновременно на объект регу­ лирования и на систему управления.

При использовании второго способа возмущение, вызывающее на­ рушение нормальных условий испытаний, действует только на объ­ ект исследования. Укрепленные на объекте тензопреобразователи вырабатывают пропорциональный изменению физической величины электрический сигнал, который с выхода системы измерения подается на блок сравнения, где электрическое напряжение сигнала сравни­ вается с эталонным. В результате такого сравнения вырабатывается сигнал управления, пропорциональный отклонению соответствую­ щего параметра. В процессе управляющего воздействия на объект через исполнительные органы установки значение отклонения умень­ шается до нуля.

Система стабилизации по возмущению является более консерва­ тивной и применяется только в тех случаях, когда по каким-либо причинам невозможно обеспечить стабилизацию по отклонению. Для падежной стабилизации по возмущению необходимо свести к мини­ муму все остальные воздействия на систему. Кроме того, необходимо точно знать функцию воздействия возмущения на систему и функ­ цию воздействия сигнала регулирования на объект исследования.

Всистемах управления могут использоваться аналоговые и циф­ ровые методы обработки информации. Выбор конкретного метода зависит от ряда факторов, в том числе от требуемой точности отра­ ботки контролируемого параметра, от необходимого быстродействия системы регулирования, от наличия соответствующей аппаратуры. Чаще всего применяются гибридные системы, состоящие из аналого­ вых и цифровых блоков. В общем случае быстродействие аналоговых систем выше, чем цифровых. Так, для автоматической стабилизации по отклонению используются аналоговые стабилизаторы, которые характеризуются высоким быстродействием, достаточно просты по конструкции и надежны в работе.

Впоследнее время все большее применение в системах управле­ ния находят цифровые приборы, которые по сравнению с аналоговыми отличаются большей гибкостью и обеспечивают более высокую точ­ ность управления. В автономных системах целевого управления мо­ гут использоваться цифровые вольтметры, а в больших установках управление осуществляется с помощью ЭВМ, обеспечивающей сравнение измеренного и эталонного значений контролируемого па­ раметра и выработку сигналов управления, которые передаются па исполнительные органы установки. При этом необходимо учитывать, что системы с аналого-цифровыми и цифроаналоговыми преобразо­ вателями работают более медленно, чем чисто аналоговые, вследствие включения в цепь управления звеньев прямого и обратного преобра­ зования электрических сигналов. Поэтому такие системы преи­ мущественно находят применение для регулирования параметров, изменяющихся с не очень высокой скоростью.

По степени контроля текущих параметров исследуемого процесса

системы управления делят па два больших класса [21]: безусловного и условного управления. Безусловным управлением (или управле­ нием без обратной связи) называется такое, при котором состояние объекта исследования изменяется по наперед заданной программе независимо от результатов измерений и степени соответствия теку­ щих значений параметров заданным.

При условном управлении изменение состояния объекта исследо­ вания непрерывно контролируется в процессе испытаний и сопостав­ ляется с заданным. Если происходит отклонение от заданногосостояния объекта, в режим нагружения вносятся коррективы по ко­ манде от системы управления. Такие системы управления в научном

обиходе называют системами с обратной связью, а установки, в которых они применяются,— установками с замкнутым контуром регулиро­ вания. К системам условного управления относятся системы регули­ рования и стабилизации по возмущению и отклонению, так как в них сигнал управления вырабатывается в зависимости от величины и знака разности между фактическим и эталонным значением конт­ ролируемого параметра. В настоящее время весьма широко распрост­ ранены системы обоих классов. Безусловное управление реализо­ вано, как правило, в таких экспериментальных установках, которые не оснащены •средствами вычислительной техники. В современных установках, базирующихся на использовании ЭВМ, применяются комбинации условных и безусловных управлений. При этом послед­ ние управляют всем процессом измерений, а блоки условного управ­ ления контролируют ход процесса испытаний, обеспечивают выработ­ ку управляющих команд и реализацию заданных условий испытаний. На рис. 93—95 показаны возможные варианты схем управле­ ния с обратной связью, в которых используются аналоговые системы обработки информации (рис. 93), цифровые (рис. 94) и гибридные (рис. 95). В чисто аналоговых системах контур регулирования за­ мыкается по цепочке: система нагружения 1 — объект исследования 2 — аналоговый датчик 3 — нормирующий усилитель 4 — аналого­ вое устройство сравнения 5 — система нагружения 1 (рис. 93). Ана­ логовый датчик является фактически преобразователем (индуктив­ ным, емкостным, пьезоэлектрическим, сопротивления, терморезис­ тивным и т. п.), который в процессе изменения контролируемой

физической величины выдает в цепь регулирования пропорциональный ей непрерывный электрический сигнал. Этот сигнал усиливается в нормирующем усилителе и поступает в устройство сравнения, где он сравнивается с эталонным аналоговым электрическим сигналом, вы­ рабатываемым ЭВМ 7. Так как вычислительная машина передает эталонный сигнал в цифровой форме, на входе в устройство сравне­ нияразмещен цифроаналоговый преобразователь в.

Если в качестве преобразователя 3 (рис.. 94) в цепи регулирова­ ния используется цифровой, датчик, то сигнал вырабатывается в цифровой форме в виде различных дискретных электрических импуль­ сов и в этом случае существенно упрощается структура системы уп­ равления в связи с исключением прямых и обратных аналоговых преобразователей. Сигналы поступают от датчика 3 непосредственно на цифровое устройство сравнения 5, там сопоставляется с выраба­

тываемыми ЭВМ 4 эталон­

мации по всей цепи регулирования непосредственно в контур регули­ рования может быть включена мини-ЭВМ 4 (рис. 94, б); в таких систе­ мах управления вычислительная система выполняет функции устройств: ■сравнения, выработки эталонных сигналов и выработки управляю­ щих команд. Она обрабатывает информационные сигналы, формирует сигнал ошибки и управляет испытательной системой в целом, т. е. полностью обеспечивает обратную связь объекта исследования с системой силонагружения (а при необходимости и с системой форми­ рования рабочих условий).

Гибридные системы управления установок с замкнутым контуром регулирования (рис. 95) являются наиболее громоздкими. В цепь обратной связи наряду с исполнительным органом 1, объектом ис­ следования 2, аналоговым датчиком <?, нормирующим усилителем 4 и аналоговым устройством сравнения 6 включаются преобразователи: апалого-цифровой 5 и цифроаналоговый 8. ЭВМ 7 в такой системе управления в основном используется для задания и контроля режи­ мов испытаний. Связь вычислительных машин с другими устрой­ ствами в системах управления осуществляется интерфейсами, обеспе­ чивающими их взаимное сопряжение.

Автоматизированный комплекс может строиться по централизо­ ванной структуре, когда каждой испытательной системе придается самостоятельная вычислительная машина, или по иерархической структуре, при которой главная вычислительная система осуществ­ ляет координацию работы локальных вычислительных систем и боль­ шого количества экспериментальных установок.

Схема гибридной системы управления централизованной струк­ туры, используемая в установках фирмы МТС, показаиа на рис. 96 [19]. Установки такого типа с дроссельными электрогидравлическими усилителями позволяют проводить испытания при статическом и циклическом нагружениях и в основном используются для иссле­ дования малоцикловой усталости металлов, когда автоматизирован­ ное управление и обработка результатов эксперимента являются обя­ зательными. Контролируемым параметром при испытаниях на мало­ цикловую усталость может быть деформация, перемещение или нагрузка. Сигнал от соответствующего аналогового датчика 1, 2 или 3 поступает в коммутатор каналов 4, далее в аналого-цифровой преоб­ разователь 5 и в мини-ЭВМ 6, где производится его обработка. С ми-

Рис. 96. Блок-схема ус­ тановки МТС,

нп-ЭВМ обработанная в цифровой форме информация передается на устройства записи (телетайп 7 и дисплей 8), а команда управления — на цифроаналоговый преобразователь 9, где после ее преобразования

ваналоговую форму она поступает в электрогидравлический преоб­ разователь 11, который управляет подачей масла высокого давления

всиловой гидроцилиндр испытательной машины. Параллельно ко­ мандный сигнал через цифроаналоговые преобразователи подается на пульт 12, управляющий работой гидронасоса, и на коммутатор 10. При проведении испытаний на малоцикловую усталость нали­ чие замкнутого контура регулирования с мини-ЭВМ позволяет вы­

полнять обработку результатов эксперимента в реальном времени и реализовать режимы мягкого и жесткого (по рассчитываемому в процессе испытаний значению циклической пластической деформа­ ции) нагружения в интервале частот приблизительно от 0 до 20 Гц. Применение ЭВМ также позволяет осуществить практически любой режим циклического нагружения не только с детерминированными, но и со случайными характеристиками.

Глава IX . ФОРМИРОВАНИЕ РАБОЧЕЙ СРЕДЫ

И ТЕМПЕРАТУРНОГО РЕЖИМА В ЗОНЕ ОБЪЕКТА ИССЛЕДОВАНИЯ

1. Методы испытаний в агрессивных средах

Для воспроизведения в зоне объектов исследования условий, близких по воздействию окружающей среды к реальным условиям эксплуата­ ции, испытания проводятся в жидких и газообразных средах различ­ ной степени агрессивности, при низких и высоких температурах, в ва­ кууме и при повышенных давлениях.

В качестве жидких агрессивных сред при механических испытани­ ях используются морская вода, растворы кислот, солей и щелочей различной концентрации, расплавы некоторых легкоплавких маталлов. К агрессивным газообразным средам, используемым при испы­ таниях, можно отнести с определенной степенью условности атмосфер­ ный и солевой туман. Также весьма распространены испытания метал­ лов в атмосфере некоторых чистых газов (например, водорода), кото­ рые при взаимодействии с поверхностью металла вызывают изменение его свойств.

В качестве агрессивной среды в определенных условиях может рас­ сматриваться и обычный воздух, вызывающий при повышенных тем­ пературах интенсивное окисление таких металлов, у которых образую­ щаяся пленка оксидов не предохраняет основу от дальнейшего окис­ ления. Так, очень низкой стойкостью к окислению характеризуются тугоплавкие металлы большой четверки — вольфрам, молибден, ни­ обий, тантал и сплавы на их основе. При температурах от 800 К и выше их оксиды или испаряются, как у легкоплавкого триоксида молибдена, или растрескиваются и отслаиваются от неповрежденного металла, как у ниобия, что способствует ускорению окислительного процесса. Для того чтобы обеспечить защиту тугоплавких сплавов от взаимо­ действия с окислительными и другими агрессивными средами, их ис­ пытания проводят в вакууме или в атмосфере очень чистых нейтраль­ ных газов, чаще всего аргона или гелия.

Аргон и гелий используются для создания защитной нейтральной среды и при испытаниях других материалов, на которые кислород воздуха оказывает окислительное или другое повреждающее воздей­ ствие.

Коррозионное влияние агрессивных сред в основном проявляется при их длительном контакте с металлами, поэтому методы испы­ таний в агрессивных средах получили свое развитие применительно к испытаниям на усталость и длительную прочность.

При использовании в качестве агрессивной среды жидкости ее взаимодействие с поверхностью исследуемого объекта обеспечивается тремя способами: смачиванием, разбрызгиванием и погружением. Первый способ применяется в тех случаях, когда жидкость образует с основным металлом амальгамы. Она наносится на металл кисточкой или при однократном погружении образца в соответствующий раствор. Второй способ находит применение, если коррозионный раствор не­ обходимо подавать в локальную зону исследуемого объекта. Так, при исследовании влияния агрессивной жидкости на развитие усталост­ ной трещины, она поступает из расположенногонад деталью с трещи­ ной резервуара в капельницу. Капли, падая с некоторой высоты, при ударе о поверхность детали разбрызги­ ваются и заполняют устье трещины.

Наиболее распространенным явля­ ется третий способ испытаний, при ко­ тором исследуемый образец или деталь размещаются в емкости, заполненной жидкостью. Конструкция приспособле­ ний, предназначенных для таких испы­ таний, зависит от свойств агрессивной жидкости, характера нагружения и

Рис. 97. Система непрерывной подачи жидкой агрессивной среды к образцу при испытаниях на длительную прочность.

длительности эксперимента. Если в процессе нагружения образца ра­ створ не истощается, то допускается его однократная заливка в рабо­ чую емкость только в начале испытаний. В других случаях необхо­ димо обеспечивать постоянный подвод агрессивной среды к поверх­ ности образца, ее перемешивание и постепенную замену.

Простейшая конструкция приспособления для исследования дли­ тельной прочности металлов в омывающем образец растворе показана па рис. 97 [18]. Емкость — стакан 2 плотно закреплен на неподвиж­ ном захвате 1 образца 3. Жидкость из емкости 6 благодаря разности установленных уровней самотоком поступает в стакан 2 и далее через патрубок 4 попадает в резервуар 7. Скорость потока регулируется клапаном 5. Такая конструкция приспособления может быть исполь­ зована и при испытаниях на усталость в условиях растяжения— сжа­ тия при вертикальном расположении силовой цепочки машины.

Для испытаний на коррозионную усталость в условиях изгиба це­ лесообразно использовать машины с механическими возбудителями колебаний обращенного типа, которые также характеризуются верти­ кальным расположением захватов и образца и неподвижностью ниж­ него захвата. В общем случае при проведении коррозионных испыта­ ний механизм силовозбуждения машин рекомендуется располагать над емкостью с раствором, при этом зона испытаний должна быть хорошо герметизирована для предотвращения выплескивания или протекания рабочей жидкости, которая может вызвать интенсивную коррозию деталей испытательной машины и выход ее из строя при длительных

испытаниях. Рекомендуется также все детали узла нагружения, кото­ рые в процессе испытаний контактируют с агрессивной средой, после завершения эксперимента тщательно промывать водой и просушивать.

При исследовании влияния жидких рабочих сред на свойства ма­ териалов в условиях повышенных температур и давлений применяют­ ся специальные автоклавы, которые представляют собой сосуды высо­ кого давления.

Исследование влияния вакуума и газовых сред на свойства мате­ риалов проводится 0 использованием герметичных вакуумных камер, в которых размещаются испытываемые образцы. При этом для обеспе­ чения высокого вакуума и необходимой чистоты инертных газов из рабочих камер должны быть исключены все элементы, которые могут етать источником загрязнения рабочей среды.

При проведении исследований в агрессивных газовых средах об­ разцы помещаются в дополнительную герметичную оболочку, разме­ щенную в общей рабочей камере.

2. Методы нагрева

Области освоенных в макроэксперименте температур соответствует верхняя граница, практически совпадающая с 3500 К [29]. Для испы­ тания образцов и элементов конструкций в таком широком диапазоне высоких температур используются следующие методы нагрева: в элект­ рических печах сопротивления; в отражательных печах; индукцион­ ный; электронно-лучевой; электроконтактный (или нагрев прямым пропусканием электрического тока через образец) и плазменный. Каждый из этих методов применяется в определенном температурном диапазоне и характеризуется специфическими особенностями, огра­ ничивающими работоспособность метода только отдельными видами испытаний.

Нагрев в электрических печах сопротивления отличается наиболь­ шей универсальностью. Печи сопротивления являются надежными, долговечными и простыми в обслуживании устройствами с высокими метрологическими показателями, обеспечивающими проведение испы­ таний практически от комнатных температур до 2800 К. К основным характеристикам нагревательных устройств можно отнести потреб­ ляемую мощность, инерционность, способность обеспечивать равно­ мерное температурное поле в зоне объекта исследования и требуемые скорости нагрева. Электрические печи сопротивления по сравнению с другими нагревательными устройствами потребляют большую мощ­ ность, отличаются высокой инерционностью и поэтому не позволяют проводить испытания в неизотермических реяшмах, когда необходимо обеспечивать высокие скорости нагрева и охлаждения. Однако они являются высокоэффективным средством нагрева при испытаниях в условиях постоянных температур, так как позволяют получать ста­ ционарное температурное поле любой степени однородности при крат­ ковременных и длительных экспериментах.

Электрические печи сопротивления применяются для нагрева об­ разцов и деталей при испытаниях на кратковременную и длительную

прочность, ползучесть, релаксацию напряжений и усталость в изо­ термическом режиме. Их основными элементами являются стержне­ вые, пластинчатые или спиральные нагреватели, изготавливаемые из токопроводящих материалов с высоким удельным электрическим со­ противлением. Нагреватели набираются в пакеты или секции, с помо­ щью которых формируется зона нагрева требуемого диаметра и дли­ ны. Электрический ток подводится к нагревателям по медным токопроводам большого сечения. При прохождении тока большой силы по нагревателю в нем происходит выделение джоулева тепла и разогрев.

В термокамерах, работающих при температуре до 700 К, как пра­ вило, используются выпускаемые промышленностью трубчатые элек­

ниобия (до 2350 К), молибдена (до 2000 К в вакууме и до 2450 К в за­ щитной атмосфере) и вольфрама (до 3250 К). Нагреватели из тугоплав­ ких сплавов применяются в вакуумных электрических печах и в пе­ чах с инертным газом, так как эти сплавы склонны к окислению при температурах выше 800 К.

Электрический ток промышленной частоты подводится к нагрева­ телю с помощью системы нагрева, принципиальная схема которой показана на рис. 98,а. От сети электрический ток поступает в стаби­ лизатор напряжения 1, затем в регулятор напряжения 2 и силовой поиижающйй трансформатор 3, от которого по гибким медным шинам 4 он подается к нагревательному элементу 5. На выходе из системы, на­ грева напряжение питания составляет 6— 12 В, а сила тока может до­ стигать 2000 А и более. Режимом нагрева можно управлять по замк­ нутой схеме с помощью позиционных регуляторов или регуляторов непрерывного действия, сигнал обратной связи на которые поступает от укрепленного на образце или нагревателе датчика температуры. В электропечах сопротивления, используемых при испытаниях на дли­ тельную прочность и ползучесть, позиционное регулирование темпе­ ратуры образца выполняется с помощью механического дилатометри­ ческого датчика. Этот метод нагрева пригоден для исследования элек­ тропроводных материалов и диэлектриков.

Нагрев в отражательных печах используется для проведения неИзотермических испытаний в тех случаях, когда требуется обеспечить

программное изменение температуры со скоростями 5— 20 К/с при мак­ симальном уровне температур до 1750 К. К его достоинствам относит­ ся низкая инерционность. Кроме того, этот метод обеспечивает чи­ стоту эксперимента, так как по своей природе он исключает возмож­ ность возникновения электромагнитных полей в зоне образца.

Принцип действия отражательной печи (рис. 99) основан на кон­ центрации энергии излучения источника нагрева в области располо­ жения образца. Печь представляет собой эллиптический цилиндр 3 с внутренней полированной поверхностью, характеризующейся высо­

кой отражательной способностью. В одном фокусе эллипса F^Fi

размещен источник лучистой энергии 1, а в другом FZF2 — образец 2. В качестве излучателя используются кварцевые галогенные лампы неболь­ шого поперечного сечения, представля­ ющие собой тонкостенный кварцевый цилиндр — колбу, внутри которой со­ осно расположена вольфрамовая нить накала. Колба лампы заполнена инерт­ ным газом с добавкой небольшого коли­ чества галогенного соединения для обес­ печения стабильности светового потока в течение длительной эксплуатации. Промышленностью выпускаются лам­ пы, рассчитанные на питание электри­ ческим током промышленной частоты

напряжением 220 В. Их длина составляет от 132 до 680 мм, а диа­ метр колбы — от 8 до 27 мм.

Внутренняя отражающая поверхность эллиптического цилиндра называется концентратором. Материал концентратора должен обла­ дать высоким коэффициентом отражения, достаточной механической прочностью и термической стойкостью, устойчивостью к воздействию окислителей и коррозии, а также согласованностью спектральной характеристики отражения со спектральной характеристикой излу­ чателя [18]. Этим требованиям удовлетворяют такие металлы, как 8олото, серебро, алюминий, медь и некоторые их сплавы. Однако практическое применение для изготовления отражателей находят в основном медь и латунь, на поверхность которых наносится прозрач­ ный слой для обеспечения стабильности коэффициента отражения.

В процессе испытаний излучаемая кварцевой лампой лучистая энергия фокусируется на образце, в результате чего происходит его нагрев. Основной проблемой, которую необходимо решать различны­ ми способами при использовании отражательных печей, является проблема обеспечения равномерного температурного поля в образце. Повышение равномерности распределения температуры по толщине образца может быть решено тремя способами. Первый способ основан на уменьшении эксцентриситета, что не всегда целесообразно с кон­ структивной точки зрения; второй способ предусматривает увеличе­ ние количества концентраторов и применения трехили четырех­ лепестковых печей с соответствующим числом излучателей. Третий

способ, наиболее просто реализуемый, основан на применении враща­ ющегося с небольшой угловой скоростью образца, привод которого осуществляется от электродвигателя с вариаторомПоследний спо­ соб может быть использован преимущественно при испытаниях на термостойкость или термоусталость, т. е. при таких видах испыта­ ний, в процессе которых к образцу не прикладывается внешняя сила.

Индукционный нагрев относится к методам с внутренним выде­ лением тепла в образце. Он основан на использовании трансформа­ торного принципа передачи энергии от высокочастотного генератора к объекту исследования и поэтому характеризуется очень низкой инерционностью, позволяет получать высокие скорости нагрева и достигать практически любых температур, вплоть до температуры плавления исследуемого материала.

Благодаря таким особенностям индукционный нагрев находит широкое применение при неизотермических испытаниях на усталость образцов и различных деталей, подвергающихся в процессе экс­ плуатации воздействию изменяю­ щихся с большой скоростью те­ пловых потоков.

Принципиальная схема высо­ кочастотного генератора ВЧГ-1/ 60/0,067, выпускаемого отечествен­ ной промышленностью, приведена

па рис. 100. Трехфазный электрический ток напряжением 380 В по­ дается от сети на вход высоковольтного трансформатора 1, где он пре­ образуется в ток напряжением 6300 В. В тиратронном выпрямителе 2 переменный ток преобразуется в постоянный напряжением 10 000 В и подается на вход радиотехнического генератора 3, на выходе кото­ рого получаем переменный ток частотой 67 кГц и напряжением 10 000 В. Далее происходит очередное преобразование электрического тока в высокочастотном трансформаторе 4 до напряжения 500 В при сохранении частоты 67 кГц. Этот ток является рабочим, он подается на индуктор 5, который служит первичной обмоткой выходного транс­ форматора, а в качестве его вторичной обмотки и нагрузки использу­ ется образец 6, в поверхности которого наводятся вихревые токи, вы­ зывающие разогрев материала. Индуктор представляет собой выпол­ ненную из медной трубки спиральную цилиндрическую или плоскую катушку, поперечное сечение которой соответствует форме поперечпого сечения исследуемого образца. Для охлаждения индуктора по внутренней полости трубки пропускается вода. Глубина проникнове­ ния тока в образец зависит от его частоты /, удельного электрического сопротивления р, магнитной проницаемости [л материала образца и определяется по формуле

Дэ = 5,03 .10* ] / (IX.1)

В результате поверхностного эффекта наведенные в образце вих­ ревые токи достигают максимального значения на его поверхности

и уменьшаются от краев образца к его середине по экспон енциальпому закону, вызывая неравномерное распределение температуры по длине образца и по сечению. Так как физическими характеристиками материала р, и р управлять нельзя, глубина проникновения тока в образец и глубина зоны активного разогрева материала, как следует из соотношения (IX .1), в основном определяются частотой /.

Практическое применение индукционного метода базируется на двух способах нагрева образцов: прямом и косвенном. В первом слу­ чае, как было рассмотрено выше, нагревается непосредственно обра­ зец. Этот способ позволяет производить нагрев до очень высоких тем­ ператур с высокой скоростью. При использовании второго способа образец размещается внутри тонкостенного цилиндра, который

выполняет роль нагревателя по от­ ношению к образцу и является вто­ ричной обмоткой выходного транс­ форматора. Вихревые токи наво­ дятся в цилиндре и поэтому элек­ тромагнитное поле на образец не действует. Система нагрева с про­ межуточным цилиндром является более инерционной и имеет ограни­ чения по скорости нагрева и по уровню реализуемых температур.

Гибкое управление распределением температуры по длине образ­ ца при прямом способе нагрева достигается за счет изменения шага витков индуктора и их расстояния от образца.

К недостаткам индукционного метода следует отнести громозд­ кость и сложность используемого высоковольтного оборудования по­ вышенной опасности и необходимость соблюдения при проведении ислытапий и профилактических работах с оборудованием очень же­ стких требований техники безопасности.

Электронно-лучевой нагрев. Этот метод нагрева применяется толь­ ко при испытаниях в вакууме. Нагрев образца осуществляется за счет бомбардировки его поверхности пучком электронов, разогнанных в электростатическом поле до высоких скоростей. Метод электронно­ лучевого нагрева позволяет получать высокие температуры (до 3300 К) при высоких скоростях нагрева и охлаждения я характеризуется до­ статочно гибким управлением тепловым режимом.

Для генерирования электронов используется электронная пушка (рис. 101), которая состоит из электростатической системы, включаю­ щей катод 1, фокусирующий электрод 2 и анод 3, и магнитной системы, состоящей из фокусирующей катушки 4 и отклоняющих катушек 5. Электростатическая система предназначена для излучения электро­ нов, а магнитная — для формирования пучка и его перемещения в двух взаимно перпендикулярных направлениях. В поперечном на­ правлении осуществляется центровка пучка на образце 6, а в продоль­ ном — его развертка вдоль образца. Равномерное распределение тем­ пературы по длине образца обеспечивается благодаря задержке в процессе развертки пучка на концах образца для компенсации тепло­

вых потерь через захваты. Для более равномерного лрогревапия'по пе­ риметру образца применяются два излучателя, расположенные с противоположных сторон вакуумной камеры.

Этот метод имеет те же недостатки, что и метод индукционного нагрева.

Электроконтактиый нагрев применяется для испытаний образцов из электропроводных материалов на термостойкость или термоуста­ лость. Принцип нагрева в этом случае основан на выделении тепла непосредственно в образце при пропускании по нему электрическоготока. Этот метод отличается неограниченным верхним температурным пределом, широким диапазоном скоростей нагрева (до 200 К/с), про­ стотой схемы нагрева и гибкостью системы управления, позволяющей получать циклы изменения температуры практически любой формы. Для нагрева образцов используется схема, аналогичная приведенной на рис. 98, а, только электрический ток по гибким шинам 4 подводится, не к нагревателю 5, а к испытываемому образцу 6, который неподвиж­ но закреплен между массивными плитами 7, стянутыми жесткими ко­ лонками 8 (см. рис. 98, б).

При пропускании тока и нагреве образца (образец изолирован or жесткой рамы) его удлинению препятствуют плиты и поэтому в об­ разце возникают сжимающие напряжения. В полуцикле охлаждения в нем могут возникать растягивающие напряжения, если в полуцикленагрева произошло пластическое деформирование материала. Таким образом, за счет нагрева и охлаждения с использованием сравнитель­ но несложного оборудования осуществляются знакопеременное наг­ ружение и упруго-пластическое деформирование материала в неизо­ термических условиях при совпадении по фазе температурных, си­ ловых и деформационных циклов. Такой вид испытаний называется термической усталостью, или сокращенно термоусталостыо.

Электроконтактиый метод нагрева в основном используется при испытаниях на термоусталость, несмотря на то что on имеет ряд су­ щественных недостатков, которые методически труднопреодолимы. Основным недостатком метода является неравномерное распределе­ ние температуры по длине и сечению образца. Температурная криваяпо рабочей длине достаточно хорошо аппроксимируется параболой. Неравномерное распределение температуры по длине образца методи­ ческими приемами исключить нельзя, его можно только учитывать. Температурный градиент в поперечном сечении особенно рельефновыражен для сплошных цилиндрических образцов за счет более ин­ тенсивного отвода тепла с поверхности, где температура может быть значительно выше, чем на оси образца. Поперечные градиенты явля­ ются источниками ошибок при определении характеристик прочности материала. Однако в отличие от продольных они могут быть практи­ чески исключены благодаря использованию тонкостенных трубчатых

Испытания на термоусталость достаточно широко распространены о практике механических испытаний, так как они позволяют весьма точно имитировать условия работы материала, характерные для боль­ шой группы оборудования различного назначения. При других видах испытаний этот метод нагрева практически не используется. Так, при испытаниях на кратковременную прочность, длительную прочность и ползучесть в процессе нагружения обычно происходят удлинение •образцов и неравномерное по длине изменение площади их попереч­ ного сечения. Такое неравномерное деформирование при электроконтактном нагреве всегда сопровождается появлением зон, в которых

повышается плотность элек­ трического тока, а следова­ тельно, и температура, что приводит к еще большей не­ однородности деформирова­ ния материала. Этот метод также нельзя использовать при испытаниях образцов на статическую и циклическую трещиностойкость из-за появ­ ления зон локального нагре­ ва в вершине трещины.

Плазменный нагрев осно­ ван на использовании кон­ вективного теплообмена меж­ ду низкотемпературной плаз­ мой, получаемой при продув­ ке рабочего газа через

электрическую дугу, и объектом исследования. Генератор низкотемпе ратурной плазмы (он также называется плазмотроном) позволяет по­ лучать в зоне электрической дуги, возникающей между анодом и като­ дом, температуру до 12 000 К. Через область электрического разряда с такой высокой температурой продувается газ, в качестве кото­ рого чаще всего используется воздух с различными примесями или аргон. При механических испытаниях с помощью плазмотронов по­ лучают рабочие температуры до 3000 К, которые в общем не явля­ ются предельными для этого метода.

Основное применение плазменный метод нагрева находит при ис­ пытаниях различных теплозащитных покрытий, которые в эксплуа­ тационных условиях подвергаются одностороннему интенсивному нагреву с высокими скоростями, достигающими нескольких сотен градусов в секунду [28J.

Из большого числа различных установок конвективного нагрева ори таких испытаниях наибольшее распространение получили уста­ новки с подогревателем плазмотронного типа и воздухом в качестве рабочей среды. Схема такой установки показана на рис. 102. Она со­ стоит из собственно плазмотрона, системы подачи воздуха 1, системы регулирования удельного теплового потока 8 и системы питания 2 с блоком зажигания дуги, которая возникает между анодом 6 и катодом

12 плазмотрона. Электроды плазмотрона могут выполняться из меди (как показано на рис. 102; в этом случае они являются водоохлажда­ емыми), вольфрама, покрываемого оксидом тория, или угля. Электри­ ческий разряд возникает между анодом и катодом в основном канале 4 плазмотрона, через который под небольшим избыточным давлением (до 0,05 МПа) продувается воздух. Воздух в боковой 9 и центральный 14 каналы плазмотрона подается через завихрители 11 и 13. Нагре­ тый до требуемой температуры ионизированный воздух проходит по осевому каналу 4 анода и подается на объект исследования 7. В плаз­ мотроне рассматриваемого типа разрядный шнур 5 подвергается ком­ бинированному обдуву двумя воздушными потоками, что способству­ ет непрерывному его вращению и предотвращает прогорание анода и катода в основании дуги. В состав источника питания плазмотрона входит сварочный трансформатор с крутопадающей вольт-амперной характеристикой, запитываемый от сети напряжением 380 В, и полу­ проводниковый выпрямитель. Рабочий электрический ток силой до 800 А подводится к аноду и катоду по медным шинам 3 с надежной изоляцией (рабочее напряжение плазмотрона 80 В). Мощность удель­ ного теплового потока, поступающего на образец, регулируется авто­ матически с помощью управляемого электромеханического привода 10, который по заданной программе изменяет расстояние от среза сопла анода плазмотрона до рабочей поверхности образца. Плазмот­ рон может устанавливаться и перемещаться по отношению к образцу в любом требуемом направлении. Если возникает необходимость в равномерном нагреве исследуемого объекта, по периметру его сечения устанавливаются несколько плазмотронов. Скорость теплового пото­ ка регулируется путем изменения давления рабочего газа.

К преимуществам плазменного метода по сравнению с другими методами нагрева можно отнести возможность создания мощных теп­ ловых потоков, обеспечивающих нагрев с высокими скоростями, возможность получения очень высоких рабочих температур при конвек­ тивном теплообмене в условиях воздушной среды и аэродинамическо­ го напора. Кроме того, этот метод обеспечивает возможность модели­ рования на поверхности исследуемого объекта различных химических процессов путем использования в качестве рабочего тела смеси газов необходимого состава и путем введения различных добавок в форми­ руемый на выходе плазмотрона конвективный поток.

3. Камеры для испытаний при высоких и низких температурах

Температурные камеры являются составной частью установок для ме­ ханических испытаний. Они обеспечивают формирование рабочей среды и температурного режима в зоне объекта исследования. В связи с очень широким интервалом реализуемых при механических испыта­ ниях рабочих температур конструктивное оформление температурных камер различного назначения существенно отличается. По темпера­ турному признаку их можно разделить на два больших класса — на камеры, предназначенные для испытания при высоких температурах,

и камеры, обеспечивающие получение низких (отрицательных) тем­ ператур. Камеры для испытаний до 700 К рекомендуется называть термокамерами, а для более высоких температур — электрическими печами, которые в свою очередь условно делят на воздушные (до 1700 К), для инертного газа (до 2000 К) и вакуумные (до 3500 К) [18]. При низких температурах используются криокамеры (77— 273 К) и криостаты (1,5— 140 К). Испытания в парах газообразных хладагентов при климатических, переходных и криогенных (не ниже 77 К) темпе­ ратурах проводятся в криокамерах, а испытания в криогенных жидкостях и в парах гелия (а в ввекоторых случаях и в парах азо­ та) — в криостатах.

Функциональное назначение камер для высоких и низких темпе­ ратур принципиально отличается. Термокамеры и печи конструиру­ ются таким образом, чтобы локализовать зону высоких температур вблизи образца и предотвратить утечку тепла в окружающую среду. Назначение криокамер и криостатов состоит в том, чтобы отсечь все потоки тепла извне в зону образца и сохранить в этой 80не жидкую ванну хладагента или охлажденную смесь газа и пара.

Термокамеры. Преимущественно они используются для испыта­ ния таких неметаллических материалов, как резины, пластмассы, текстиль, бумага. Измерять температуру для материалов с низкой теплопроводностью непосредственно на образце затруднительно и при их испытаниях температурный уровень регламентируется в рабочем объеме термокамеры. В связи с этим тепло от нагревателей к образцу в термокамерах передается путем конвекции за счет естественной или принудительной циркуляции теплоносителя, в качестве которого может использоваться газ или жидкость. Корпус термокамер выпол­ няется с двойными стенками из листового металла. Пространство между стенками заполняется теплоизолирующим материалом. В ка­ честве нагревателя в термокамерах применяется проволока или стерж­ ни из нихрома.

Электрические печи. В этих печах тепло от нагревателя к образцу передается преимущественно излучением, а отвод тепла от образца к захватам осуществляется за счет теплопроводности. В связи с этим по длине образца возникает градиент, температуры, для уменьшения которого электрические нагреватели выполняются многосекционными с автономным управлением каждой секцией.

Подводимая от системы нагрева мощность распределяется между секциями нагревателей таким образом, чтобы обеспечить более высо­ кую температуру в торцовых зонах печи, нагревающих более холод­ ные участки образцов. Для уменьшения затрат времени на установку и демонтаж образца печи, используемые для испытаний на кратко­ временную прочность, выполняются разъемными. Электропечи для длительных испытаний могут быть неразъемными, так как при таких испытаниях замена образца производится через большие интервалы времени, достигающие нескольких месяцев или даже лет. Типичная конструкция цилиндрической муфельной трехсекционной печи не­ разъемного типа показана на рис. 103. Эта печь предназначена для использования в установках для испытаний на длительную прочность

и ползучесть. Трех секционный нагреватель 2 из нихромовой проволо­ ки размещен в виде спиральной намотки на керамической огнеупорной трубе 1. Расположение нагревателя относительно трубы может быть наружным или внутренним. При наружном расположении (как пока­ зано на рис. 103) применяют дополнительную обмазку 3 нагревателя, которая является теплоизоляцией и служит для фиксации положе­ ния нагревателя. При внутреннем расположении нагревательные эле­ менты укладываются в спиральные пазы, выполненные в огнеупор­ ной трубе. Питание секций нагревателя является автономным и осуществляется от системы нагрева (см. рис. 98, а) через вывод 4.

В машинах для испытаний на усталость с горизонтальным распо­ ложением образцов применяются горизонтальные электрические печи с разъемом по образующей для обеспечения доступа к образцу. В связи с ограничен­ ностью в усталостных машинах рабочего пространства в зоне образца печи выполня­ ются компактными и с небольшим слоем изо­ ляции. Для предотвращения чрезмерного нагрева наружной поверхности печи преду­ сматривается водяное охлаждение корпуса.

Рис. 103. Муфельная электрическая печь сопротив­ ления с трехсекционным нагревателем.

Электрические печи для испытаний в вакууме и среде инертного газа. Эти печи отличаются от воздушных электрических печей кон­ структивным оформлением, своеобразие которого обусловлено высо­ кими температурами испытаний и необходимостью использования в качестве материалов нагревательных элементов тугоплавких сплавов, ■интенсивно окисляющихся на воздухе. Обязательным элементом ва­ куумных печей и печей с инертным газом являются герметичные каме­ ры, в которых размещаются открытые стержневые, пластинчатые или проволочные (в виде спиральной намотки) нагреватели, образующие замкнутый контур нагрева. Нагреватели закрепляются в медных во­ доохлаждаемых токоподводах, которые через герметичные уплотнения выводятся из камеры. Передача тепла в таких электрических печах осуществляется исключительно путем излучения, являющегося весь­ ма эффективным видом теплопередачи в вакууме.

Разрежение в камерах создается вакуумными системами, в кото­ рые входят вакуумные насосы и соединяющие их с камерой трубо­

цолучают с помощью пароструйных диффузионных насосов, высокий (до 1,33 10~5) и сверхвысокий вакуум (до 1,33 10-7 и более) — с помощью магнитных электроразрядных вакуумных насосов. Системы нагрева, применяемые в электрических печах для испытаний в ваку­ уме и инертной среде, аналогичны системам нагрева, которые исполь­ зуются для воздушных электрических печей сопротивления и прп электрокоитактном нагреве (см. рис. 98, а).

В качестве рабочей инертной среды обычно используют газоо бразный аргон, который подают в камеру после достижения в ней низкого или среднего вакуума. Во избежание подсоса атмосферного воздуха в электропечь и загрязнения газовой инертной среды в ней создается избыточное давление аргона.

Для обеспечения герметичности вакуумных камер и стабильности создаваемого в них вакуума предъявляются жесткие требования к ис­ пользуемым для изготовления.камер материалам и к материалам ва­ куумных уплотнений, а также к соблюдению определенных принци­ пов конструирования вакуумных камер и к технологии их изготов­ ления.

Корпус камеры и трубопроводы вакуумной системы изготовляют из коррозионно-стойких сталей (для этого, как правило, используют сталь 12Х18Н10Т) с хорошо обработанной и отполированной поверх­ ностью для уменьшения газовыделения и облегчения процедуры очист­ ки камеры от загрязнений в процессе эксплуатации. Если вакуумная камера предназначена для испытаний в низком и среднем вакууме, все уплотнения в крышках, токоподводах, смотровых окнах и других деталях, имеющих разъемные соединения на границе вакуум—окружа­ ющая среда, выполняются из вакуумной резины. Перед испытаниями необходимо обрабатывать внутренние поверхности электропечи и ва­ куумных трубопроводов обезжиривающими составами (бензином, спиртом или четыреххлористым углеродом). Для этой же цели про­ изводится предварительное обезгаживание резины при повышенных температурах в течение нескольких десятков часов. Обезгаживание корпуса камеры, трубопроводов, теплоизоляционных экранов про­ исходит естественным путем в начальный период испытаний при ра­ бочих температурах.

Требования к герметичности вакуумных систем, предназначенных для испытаний в высоком и сверхвысоком вакууме, более жесткие, чем в системах с низким и средним вакуумом. Характерной особен­ ностью этих систем является отсутствие резиновых уплотнений и необ­ ходимость внешнего прогрева до 600—900 К для обезгаживаиия внут­ ренних поверхностей вакуумной системы. Разъемные соединения в таких системах выполняются с металлическими прокладками, обычно из листовой меди толщиной 0,5 мм. Детали камеры и трубопровода изготовляются из высококачественных сортов коррозионно-стойких сталей, исключающих даже незначительные дефекты в толще металла.

Нагреватели в электрических вакуумных печах выполняются двухили трехсекционными для испытаний длинных образцов (100 мм

иболее) и односекционными для испытаний более коротких образцов. На рис. 104 показана конструкция высокотемпературной вакуумной печи с односекционным нагревателем из вольфрамовых стержней 5, которые укреплены в ниобиевых водоохлаждаемых токовводах 5 [18]. Теплоизоляционные экраны 2, предохраняющие корпус 1 вакуумной камеры от нагрева излучением, изготовлены из набора вольфрамовых

имолибденовых листов. Температуру до 2100 К измеряют вольфрамрениевыми термопарами, вводимыми в камеру через специальный вакуумный ввод (на рисунке не показан), а при более высоких темпе­

ратурах — оптическим пирометром через смотровое окно 7, закрыва­ емое поворотной шторкой 8. Электропечь предназначена для испыта­ ний образцов в среднем вакууме и поэтому все вакуумные уплотне­ ния выполнены из резины. Экраны и нагреватели с токоподводами ук­ реплены на двух торцовых открывающихся крышках. В печах такого типа верхний и нижний захваты образца вводятся во внутреннее про­ странство камеры через верхнюю 4 и нижнюю 9 горловины, гермети­ зированные сильфонами. Для предотвращения перегрева корпуса

камеры и вакуумных трубопроводов обычно предусматривается их охлаждение проточной водой, циркулирующей под небольшим дав­ лением в полостях, ограниченных кожухом 6. Газы из камеры отка­ чиваются вакуумными насосами через трубопровод 10.

Криокамеры и криостаты. Для охлаждения образцов и элементовконструкций применяется три способа: погружение в жидкий хлада­ гент, конвективный отвод тепла с помощью газовой среды и отвод теп­ ла по металлическому холодопроводу [25]. Выбор способа охлаждения и типа хладагента зависит от рабочей температуры, вида и длительнос­ ти испытаний.

Для охлаждения в области низких климатических температур можно использовать смесь льда с солью, твердую углекислоту в чистом виде или в смеси с четырех хлористым углеродом либо со спир­ том. Однако наиболее методически приемлемым является способ ох­ лаждения, основанный на использовании жидкого азота, что связано с его доступностью, низкой стоимостью и безопасностью.

Температуры до 160 К можно получать в растворе спирта с азотом, причем с увеличением концентрации спирта в азоте температура

раствора повышается. Для охлаждения в интервале температур 160— 130 К используют раствор петролейного спирта с азотом. Более низ­ кие температуры (практически до 95 К) получают в растворе азота с изопентаном или в парах азота. В области температур от 77 до 1,5 К для охлаждения ипользуются различные сжиженные газы и их пары. Это — жидкий азот с температурой кипения при атмосферном давле­ нии 77 К, жидкий неон с температурой кипения 26,1 К, жидкий водо­ род и жидкий гелий с температурой кипения соответственно 20 и 4,2 К. Напомним, что температура кипения жидкого кислорода составляет “90 К, а жидкого воздуха — 81 К. Основным хладагентом при темпе­ ратурах до 77 К. является азот. Хорошим и удобным в обращении хладагентом для получения температуры ниже 77 К является жидкий неон и его пары, однако он дефицитный и дорогой газ, так как техника его сжижения еще недостаточно освоена [25]. Применение водорода «вязано с его взрывоопасностью при контакте с воздухом. Поэтому для получения температур в интервале 77— 1,5 К используют жидкий ге­ лий; с помощью его паров осуществляется охлаждение вплоть до тем­ пературы кипения (правда, близкие к 4,2 К температуры очень не­ стабильны), а температурный интервал 4,2— 1,5 К достигается за счет откачки паров над ванной жидкого гелия. При этом постоянная заданная температура гелиевой ванны ниже 4,2 К поддерживается специальными регуляторами давления.

Камеры для получения низких температур выполняются в двух вариантах — с односторонним и с двусторонним вводом захватов. Первый вариант обеспечивает меньшую, чем второй, защиту жидкой ванны с хладагентом от теплопритока извне и поэтому преимущест­ венно используется при испытаниях в парах азота и в жидком азоте. Следовательно, криокамеры, предназначенные для формирования в рабочей воне образца температур в диапазоне от 273 до 77 К, и азот­ ные криостаты (77 К) имеют два силовых ввода.

Гелиевые криостаты выполняются реверсивными с односторонним вводом силовых элементов. В этом случае нагрузка к образцу переда­ ется через длинные вставленные одна в другую с верхней стороны криостата тяги. Такая конструкция позволяет снизить теплоприток в рабочую зону, уменьшить температурные градиенты по длине зах­ ватов и получить в криостате ванну жидкого гелия.

Необходимо отметить, что при разработке гелиевых криостатов основное внимание должно уделяться уменьшению теплопритока в зону образца. Это связано с тем, что жидкий гелий при низких тем­ пературах имеет малую теплоемкость и малую теплоту испарения и легко испаряется, поэтому для проведения испытаний требуется боль­ шое его количество. Так, при испарении 1 л жидкого азота при темпе­ ратуре кипения 77 К поглощается 38, 4 ккал тепла, а при испарении 1 л гелия гораздо меньше — всего 0,67 ккал. При неправильном про­ ектировании и изготовлении гелиевого криостата вообще нельзя за­ лить жидкий гелий, так как он за счет существующих теплопритоков испаряется прежде, чем достигает дна криостата.

Конструкция реверсивного криостата, выполненного с учетом необ­ ходимости проведения длительных испытаний, показана ца рис. 105

сильфонное уплотнение, в процессе испытаний остается неподвижной. Такая конструкция соосно расположенных тяги и силового стакана, благодаря которой они имеют односторонний ввод в криостат, являет­ ся типичной для реверсивных гелиевых криостатов и позволяет свести к минимуму количество тепловых мостов из окружающей среды в криостат. Единственным таким мощным тепловым мостом в криоста­ тах реверсивного типа является тяга, охлаждаемая в верхней теплой зоне только парами отработанного гелия. Следует подчеркнуть, что от подготовки криостата к испытаниям и от способа заливки гелия во многом зависит возможность получения его жидкой ванны в криостате, так как процедура заливки гелия требует обязательного соблюдения очередности определенных этапов как при первой, так и при последу­ ющих заливках.

Перед заливкой в криостате с помощью форвакуумного насоса соз­ дается низкий вацуум. После этого в его рабочий объем начинает подаваться газообразный гелий из сосуда Дьюара 22 через съемную переливалку 23, резиновые муфты 15, 24, распределительный гелие­ вый клапан 25 и рабочую переливалку 17. После охлаждения находя­ щихся в криостате образца и деталей парами гелия давление в сосуде Дьюара повышается с помощью резиновой камеры 28 ив криостат на­ чинает подаваться жидкий гелий. Отработанные пары гелия при пер­ вой заливке удаляются из криостата в газгольдер 27 через патрубки 10, вентиль 11 и гелиевую магистраль 13, проходя по кольцевому за­ зору между стаканом и тягой и охлаждая эти детали. При повторных заливках гелия в процессе длительных испытаний для уменьшения его расхода трубопроводы, по которым гелий подается из сосуда Дью­ ара в криостат, предварительно охлаждаются. Для этого предназна­ чен распределительный гелиевый клапан, выполненный с возможно­ стью подключения рабочей полости криостата и сосуда Дьюара к газгольдеру через трубопровод 26 или рабочей полости к сосуду Дьюара.

Ход заливки жидкого гелия контролируется двумя полупровод­ никовыми уровнемерами 1 а 4, а температура образца определяется с помощью германиевого термистора 21, помещенного во фтороплас­ товую капсулу и плотно прилегающего к рабочей части образца.

Гелиевые уровнемеры сигнализируют о наличии жидкого гелия на дне рабочей полости криостата и над образцом. После того как уро­ вень жидкого гелия в рабочей полости криостата достигнет верхнего уровнемера, заливка прекращается. Все дозаливки хладагента произ­ водятся без остановки испытаний образца, температура которого в процессе подготовки и во время заливки практически не изменяется (колебания температуры составляют 1—2°). Одной заливкой жидкого гелия в криостате рассматриваемой конструкции обеспечивается про­ ведение испытаний в течение 1—1,5 ч, что является очень хорошим показателем для гелиевых криостатов.

Криокамеры и криостаты с двусторонним вводом силовых элемен­ тов используются при испытаниях в парах и в среде жидкого азота, теплоемкость и теплота испарения которого значительно выше, чем у гелия. Для испарения азота и подогрева его паров требуется под­

вести б криостат значительно больше тепла, чем для испарения гелия, й поэтому азотные криостаты требуют меньшей теплоизоляции и бо­ лее просты по конструктивному оформлению, чем гелиевые.

Простейшая конструкция азотного криостата для испытаний па кратковременную прочность дана на рис. 106, а на рис. 107 показапа криокамера для испытаний на усталость. Криостат выполняют в виде внутренней 1 и внешней 3 обечаек, между которыми находится тепло-

Рис. 106. Ааотньтй криостат.

вал изоляция 2 (минора, пенопластовая крошка или минеральная ва­ та). Возле нижнего захвата 5 в криостате устанавливается фтороплас­ товое уплотнение 4, предотвращающее пролив азота. В криостатах, предназначенных для длительных испытаний на ползучесть или ус­ талость, между двумя обечайками создается вакуум, обеспечивающий хорошую теплоизоляцию и уменьшение расхода хладагента.

Криокамеры обычно изготовляются из пепопласта или так же, как и криостаты, из двух металлических обечаек с теплоизоляционным слоем между ними. Показанная на рис. 107 криокамера из пенопласта состоит из двух симметричных половинок, имеющих разъем в верти­ кальной плоскости и соединенных между собой упругими зажимами, при этом одна из половинок корпуса 1 жестко закреплена на станине усталостной машины, а вторая фиксируется только после установки в рабочем положении образца 4, который жестко закрепляется в под­ вижной 2 и неподвижной в тягах захватов.

Пары азота подаются в камеру по трубопроводу из сосуда Дьюара с жидким азотом через распылитель-змеевик 5, в стенках предусмот­ рен накопитель 3, в который стекает избыточный жидкий азот с рас­ пылителя при испытаниях в области температур, близких к темпера­ туре кипения азота.

Необходимо отметить, что конструкции азотных криостатов и крнокамер для испытаний в парах азота могут быть весьма разнообраз­ ными в зависимости от размера образцов, вида и длительности