полнены также первые исследования упругой устойчивости продольно сжатых стержней.

Первые испытания прочности материалов при циклическом нагру­ жении в 1829 г. провел Альберт, а Веллер в 1853 г. получил первую экспериментальную кривую усталости.

Первые экспериментальные исследования при упругопластическом циклическом деформировании материалов связаны с именем Баушингера, который в 1879—1883 гг. опубликовал работы, где описаны осо­ бенности поведения металлов при повторно-статическом знакопере­ менном нагружении.

В конце X IX — начале X X в. интенсивное развитие получили работы в области пластичности, ползучести и длительной проч­ ности, основой которых послужили данные макроэксперимента. Вто­ рая половина X X в. характеризуется развитием исследований в об­ ласти механики разрушения и малоцикловой усталости, совершенст­ вованием аппаратуры и оборудования для проведения эксперимента и расширением возможностей экспериментальных средств в связи с существенным ужесточением требований к формированию условий испытаний по температурным, скоростным, частотным и другим пара­ метрам. Современные комплексы для проведения экспериментальных исследований прочности и деформируемости материалов и конструк­ ций представляют собой сложные многоцелевые системы, оснащенные электрогидравлическими исполнительными органами, электронной измерительной, управляющей аппаратурой и электронными вычис­ лительными машинами для обработки результатов испытаний и опе­ ративного управления ходом эксперимента в реальном времени.

2. Классификация экспериментальных методов

Классифицировать экспериментальные методы и соответствующее оборудование для испытаний можно по различным признакам в за­ висимости от направленности исследований, поэтому в определенном смысле такая классификация является условной. В настоящее время применение экспериментальных методов, как отмечалось, связано с исследованием закономерностей деформирования и разрушения мате­ риалов и элементов конструкций в различных условиях: в условиях простого и сложного напряженных с о с т о я н и й ; при статическом, ди­ намическом и циклическом нагружениях; при низких и высоких тем­ пературах; в условиях воздействия на материалы различных актив­ ных сред и в условиях вакуума; при воздействии силовых, тепловых и электромагнитных нагрузок. Целью таких исследований может быть проверка справедливости гипотез и теорий МДТТ, получение данных о механическом поведении материалов при внешнем нагружении, определение их механических характеристик или оценка несущей способности элементов конструкций и т. д. Поэтому если в основу классификации положить целевые признаки, то экспериментальные методы можно условно разделить на следующие группы:

1.1 — методы проверки справедливости гипотез, теорий МДТТ и определяющих уравнений в различных условиях;

1.2— методы определения механических характеристик материа­

лов;

1.3— методы исследования напряженно-деформированного со­

стояния конструкций;

1.4— методы контроля поврежденности материала в конструкции

иоценки прочности конструктивных элементов по состоянию (исполь­ зование этих методов связано с разработкой расчетных схем для про­ гнозирования остаточной долговечности);

1.5— методы натурных испытаний элементов конструкций и гото­ вых изделий в реальных условиях для определения их несущей спо­

собности и ресурса.

Если в основу классификации положить вид напряженного состоя­ ния, то экспериментальные методы можно разделить на такие группы:

2.1 — методы исследования закономерностей деформирования и разрушения материалов в условиях линейного напряженного со­ стояния (эти методы объединяют исследования на образцах при рас­ тяжении, сжатии или чистом изгибе);

2.2 — методы исследования закономерностей деформирования ма­ териалов и элементов конструкций в условиях двухосного (плоского) напряженного состояния (эта группа объединяет исследования на трубчатых или сферических тонкостенных образцах и элементах кон­ струкций при однородном напряженном состоянии и цилиндрических сплошных образцах при недднородном);

2.3 — методы исследования закономерностей деформирования и разрушения в условиях трехосного (объемного) напряженного со­ стояния (эти методы наименее развиты в связи с трудностями методи­ ческого характера).

Если в основу классификации положить характер воздействия внешней нагрузки, то экспериментальные методы можно условно разделить на следующие группы:

3.1 — методы исследования при статическом нагружении (ско­ рости деформирования для этой группы методов, обеспечивающих про­ ведение испытаний на ползучесть, а также кратковременную и дли­ тельную прочность, изменяются практически в интервале от 1 10—8 до 5 мм/с);

3.2— методы исследования при динамическом нагружении (ско­ рости деформирования при таком нагружении изменяются в интер­ вале от 5 мм/с до 100 м/с и более при действии ударных и импульсных нагрузок);

3.3— методы исследования при повторно-переменном (цикличе­

ском) нагружении (реализуемые в этом случае частоты нагружения соответствуют интервалу от 3 • 10-4 Гц до 100 кГц); методы этой груп­ пы в свою очередь могут быть разделены по частоте на такие подгруп­ пы:

3.3.1 — методы исследования малоцикловой усталости (частотный диапазон 3 10~А—5 Гц);

3.3.2 — методы исследования многоцикловой (классической) уста­ лости (частотный диапазон 5—300 Гц);

3.3.3 — методы исследования высокочастотной усталости (частот­ ный диапазон 0,3— 100 кГц).

Необходимо указать, что граница между малоцикловой, многоцик­ ловой и высокочастотной усталостью является размытой по частоте,

ивыше в качестве граничных приведены в известной степени условные значения частот. Так, в зависимости от материала, асимметрии цикла

иусловий испытаний при частоте 5 Гц можно получить как малоцик­ ловое, так и обычное усталостное разрушение.

Более строго частотный интервал, правда, безотносительно к ха­ рактеру усталостного разрушения, может быть разбит на инфразвуковой, звуковой и ультразвуковой. Частота 16—30 Гц соответствует

границе между инфразвуковым и звуковым интервалами, а 16— 18 кГц — между звуковым и ультразвуковым. При этом ультразвуко­ выми называются частоты более 18 кГц, а усталость, наблюдаемая при таких частотах, называется ультразвуковой.

По долговечности граница между областями малоцикловой и мно­ гоцикловой усталости в соответствии с ГОСТ 23026—78 устанавли­ вается про числе циклов до разрушения, равном 5 104, что тоже весьма условно. Отметим, что такой, даже условной, границы между многоцикловой и высокочастотной усталостью нет.

Если в основу классификации положить температуру испытаний, то экспериментальные методы можно разделить на следующие группы:

4.1— методы высокотемпературных испытаний (температурный диапазон 323—3500 К);

4.2— методы низкотемпературных испытаний (температурный

диапазон 273—1,5 К); 4.3 — методы испытаний в климатических условиях (температур­

ный диапазон 213—323 К).

Если в основу классификации положить природу воздействующих на материал нагрузок, то экспериментальные методы можно совер­ шенно четко разделить на такие три группы:

5.1— методы исследований при силовом воздействии внешних нагрузок (к этой группе относятся методы, реализация которых свя­ зана с воздействием внешних сосредоточенных и распределенных на­ грузок, а также центробежных, инерционных сил и сил тяжести);

5.2— методы исследований при воздействии на материалы и эле­ менты конструкций тепловых потоков и неоднородных температурных

полей (к этой группе относятся методы исследования на термостой­ кость и термоусталость, при реализации которых напряжения в ма­ териале возникают благодаря наличию градиентов температуры); 5.3. — методы исследований при воздействии на материалы и эле­ менты конструкций мощных магнитных полей (постоянных и импульс­ ных) и импульсов тока большой силы (эти методы получили развитие только в последнее время в связи с использованием в технике явления сверхпроводимости, проявляющегося при близких к абсолютному нулю температурах, а также благодаря использованию электропм-

пульсной обработки металлов в технологических операциях). Таким образом, выше рассмотрена классификация методов экспе­

риментальных исследований по пяти возможным признакам.

Очевидно, что в соответствии с предложенной классификацией можно провести четкую грань между различными методами. Так, если труб­ чатый образец из тугоплавкого сплава испытывать в условиях плос­ кого напряженного состояния при высокой температуре для провер­ ки, например, теорий пластичности, то реализуемые в этом случае экспериментальные методы в соответствии с рассмотренной классифи­ кацией можно обозначить как: 1.1, 2.2, 3.1, 4.1, 5.1.

3. Системы с замкнутым контуром регулирования

Как следует из определения эксперимента, его реализация связана с необходимостью создания контролируемых и управляемых условий испытаний. Поэтому при постановке макроэксперимента необходимо располагать техническими средствами, которые позволяли бы форми­ ровать требуемые условия нагружения, контролировать их и управ­ лять ими. При воздействии на объект исследования внешних сил нужно фиксировать реакцию объекта, производить измерения, сра­ внивать контролируемые параметры с заданными, вырабатывать уп­ равляющее воздействие и трансформировать его для передачи к объекту. В процессе испытаний необходимо также обрабатывать ре­ зультаты эксперимента в таком виде, чтобы получаемая информация была удобной для анализа и использования. Выполнение таких опе­ раций может быть реализовано только с использованием специальных

целевых комплексов, представля­ ющих собой сложные аппаратур­ ные системы, состоящие из функ­ ционально связанных силовых эле­ ментов и приборов.

В качестве составных элементов в такие комплексы входят испол­ нительные органы, системы изме­ рения, управления, обработки ре­ зультатов эксперимента, а также системы, обеспечивающие создание и контроль требуемой рабочей сре­ ды в зоне испытаний.

Следует отметить, что в техни­ ческой литературе оформленные в единое целое в приборном виде комплексы называют установками.

В дальнейшем под установкой будем понимать систему взаимосвязан­ ных приборов и оборудования, которые позволяют выполнять поста­ новку корректного экспериментального исследования. Установки, удовлетворяющие современным требованиям, должны обеспечить: создание и передачу к объекту исследования необходимой внешней нагрузки по заданному режиму; создаиие в воне объекта исследова­ ния необходимых температурных условий и рабочей среды; измере­ ние основных механических величии, входящих в определяющие уравнения: нагрузок (напряжений) и деформаций (перемещений), а также контролируемых параметров испытаний; выработку команд

управления; обработку экспериментальных данных и представление интересующей информации в требуемом виде.

Блок-схема установки с замкнутым контуром регулирования, от­ вечающей перечисленным требованиям, представлена на рис. 1. Схема включает такие элементы: объект исследования 1, систему нагруже­ ния 2, систему измерения 3, систему обработки результатов экспери­ мента 4 с блоком представления информации 5, систему выработки команд управления 6, систему формирования рабочей среды 7.

Кратко рассмотрим функциональное назначение отдельных систем установки и перечень входящих в них структурных элементов.

В качестве объекта исследования при механических испытаниях используются образцы, модели элементов конструкций, а также конструктивные элементы или отдельные детали и изделия.

Система нагружения обеспечивает приложение к объекту иссле­ дования внешних нагрузок по заданному закону. Ее составными эле­ ментами являются силовозбуждающие звенья испытательных машин, нагружающих устройств и стендов.

Система измерения предназначена для измерения в процессе мак­ роэксперимента перемещений (деформаций) и усилий, возникающих

вобъекте исследования, а также таких контролируемых параметров, как температура, давление и состав рабочей среды. Ее составные элементы—датчики, усилители поступающих от датчиков сигналов, коммутаторы и аналого-цифровые преобразователи, преобразующие сигналы к виду, удобному для ввода в ЭВМ, где производится пер­ вичная обработка измеряемых величин.

Система обработки результатов эксперимента обеспечивает обра­ ботку первичной поступающей из системы измерения информации, получение интересующих исследователя расчетных величин, характе­ ристик, зависимостей и представление их в требуемой форме. Как правило, в состав этой системы входит вычислительная машина, а так­ же цифропечатающие устройства, электронно-механические графо­ построители или телевизионная аппаратура (блок 5 на рис. 1).

Обработка результатов эксперимента может производиться в реальном времени, т. е. непосредственно в процессе испытаний, или после накопления необходимой информации в памяти ЭВМ по же­ ланию исследователя в зависимости от ее характера, а также режима и длительности эксперимента.

Система выработки команд управления обеспечивает реализацию

впроцессе испытаний заданного режима нагружения и заданных ра­ бочих условий. В ее состав входят программатор (функциональный генератор), устройство сравнения и адаптер. Сигнал по контролируе­ мому и управляемому параметру поступает в устройство сравнения от системы измерения; в этом устройстве он сравнивается с поступаю­ щим от программатора заданным сигналом, в результате чего выраба­ тывается управляющий сигнал, который передается через адаптер в исполнительные органы системы нагружения или системы формирова­ ния рабочей среды. В адаптере сигнал рассогласования, выработан­ ный в устройстве сравнения, преобразуется к форме, удобной для ввода в исполнительные органы.

Система формирования рабочей среды предназначена для созда­ ния в зоне объекта исследования необходимых температурных усло­ вий, давления и состава рабочей среды (газа* жидкости или вакуума). В состав этой системы могут входить различные приборы и оборудова­ ние в зависимости от температуры испытаний, агрессивности среды, уровня давления, длительности эксперимента (печи, криостаты, ка­ меры, регуляторы напряжения, понижающие трансформаторы, на­ сосы, компрессоры, мультипликаторы, газоанализаторы, резервуа­ ры и емкости для хранения криопродуктов, агрессивных жидкостей, нейтральных газов и т. п.). Контроль и управление температурой объекта исследования й параметрами рабочей среды в современных установках осуществляются автоматически по замкнутой схеме с по­ мощью электронных систем измерения и выработки команд управле­ ния, а также с помощью автономных позиционных электромеханиче­ ских систем или вручную оператором. Необходимо отметить, что выпускаемые в настоящее время промышленностью комплексы, а также разрабатываемые в научно-исследовательских организациях установки для механических испытаний представляют собой системы с замкнутым контуром регулирования, обеспечивающие автоматиче­ ское управление экспериментом и автоматическую обработку его результатов. Эти комплексы базируются на применении систем нагру­ жения с электрогидравлическим приводом и ЭВМ в системах измере­ ния, управления и обработки. Однако в практике исследовательской работы все еще используются и устаревшие экспериментальные сред­ ства, оснащенность которых системами контроля, управления и ав­ томатической обработки недостаточна. К ним можно отнести выпус­ кавшиеся до последнего времени промышленностью испытательные машины, представляющие собой силонагружающие устройства с жестким позиционным (без обратной связи) заданием режима нагру­ жения и несовершенными средствами измерений.

В технике обеспечения макроэксперимента преобладают два на­ правления: первое связано с оснащением таких испытательных машин специальными тензометрическими преобразователями и более точной аппаратурой для измерений, а также специальным оборудованием для создания заданной рабочей среды в зоне объекта исследования и температурных условий, а второе — с разработкой оригинальных уста­ новок и стендов для проведения целевого эксперимента.

В связи с тем что оборудование этих двух групп до настоящего времени находит широкое применение в научно-исследовательских и заводских лабораториях, при более детальном рассмотрении обору­ дования и аппаратуры современных комплексов для эксперименталь­ ных исследований мы будем приводить в соответствующих разделах описание и этих средств эксперимента.

4. Объекты исследования

Образцом называют часть заготовки, которая в необработанном или в обработанном определенным образом состоянии подвергается1 испытанию.

Образцы для механических испытаний отличаются большим раз­ нообразием,, их размеры и форма зависят от вида испытаний и могут изменяться в широких пределах. Требования к образцам регламенти­ руются соответствующими стандартами. Так, в соответствии с ГОСТ 1497—73 изготовление образцов должно отвечать следующим основ­ ным условиям: при изготовлении образцов из заготовки не должны изменяться свойства материала; места вырезки заготовок для образ­ цов, их количество и направление продольной оси образцов по отно­ шению к заготовке должны быть указаны в технических условиях на металлопродукцию; вырезку заготовок допускается производить на металлорежущих станках, ножницах, штампах или с помощью анод­ но-механической и кислородной резки, при этом необходимо преду­ сматривать меры, предотвращающие изменение свойств металла в ре­ зультате нагрева или наклепа; при вырезке заготовок необходимо обеспечивать припуск на зону металла с измененными свойствами; величина припуска должна быть задана в соответствии со стандартами и техническими условиями на металлопродукцию; необходимо обеспе­ чивать одинаковую технологию изготовления образцов из однотип­ ных материалов, предназначенных для проведения одной серии испы­

шероховатость рабочей поверхности рбразцов при этом должна соответствовать стандартам на испытания; допускается, если это оговорено в технических условиях на металлопродукцию, исполь­ зовать для испытаний сортовой прокат, литые образцы и готовые изде­ лия без предварительной механической обработки; при изготовлении плоских образцов необходимо сохранить поверхностные слои прока­ та; не допускается использование для испытаний образцов, имеющих коробления, трещины, возникающие в результате механической или термической обработки, расслоения, поверхностные дефекты в виде инородных включений (песчаные, шлаковые» газовые раковины и т. п.), плены или механические повреждения; категорически запре­ щается править или рихтовать образцы; рабочие части образцов после изготовления должны измеряться в соответствии с требованиями стан­ дартов.

Только выполнение перечисленных условий может гарантировать получение при испытаниях образцов сопоставимых корректных ре­ зультатов, заслуживающих полного доверия.

Образцы для испытаний на растяжение. Для испытаний на растя­ жение, которые являются самым распространенным видом испыта­ ний, применяются цилиндрические образцы диаметром от 3 мм и более

цы) [6, 7,12]. Эти образцы называются пропорциональными; их общий вид показан на рис. 2. Образец состоит из рабочего участка 1 (с на­ чальной расчетной длиной 10, начальной площадью поперечного се­ чения F0), головки 2 и переходного участка 3. При испытаниях ци­ линдрических образцов в качестве основного рекомендуется прини­ мать диаметр 10 мм. Допускается при использовании образцов из

хрупких материалов и литых начальную расчетную длину устанав­

ливать равной 2,82 Y ^о* Рабочую длину I рекомендуется принимать для цилиндрических образцов в интервале от 10 + 0,5 d0 до 10 + 2dQ%

для плоских образцов толщиной более 4 мм — от l0-f- 1 , 5 ^ Д° h +

- f 2,5 V Par Для плоских образцов толщиной менее 4 мм — равной D

Z0 + у

ной более 5 мм соотношение между шириной и толщиной не должно превышать 4 : 1 .

Форма и размеры головок плоских и цилиндрических образцов,

атакже размеры переходных участков не являются обязательными^

аопределяются способом их крепления в захватах силонагружаю­

участках и в головках. Технология

нии современных испытательных машин гарантирует надежное цен­ трирование образца в захватах и предупреждает его внецентренное растяжение.

При испытаниях на растяжение хрупких неметаллических мате­ риалов используются призматические образцы или цилиндрические образцы переменного сечейия, которые требуют изготовления спе­ циальных захватов; специфика испытаний таких образцов настолько своеобразна, что до настоящего времени стандарты на эти испытания еще не разработаны.

Образцы для испытаний на сжатие. Испытания на сжатие находят широкое применение для строительных материалов (камня, кирпича,, бетона, древесины), стекла, ситаллов, керамики, а также для хрупких сплавов типа чугуна и инструментальных сталей. При испытаниях на сжатие используются цилиндрические образцы или призматические образцы кубической формы.

Диаметр цилиндрических образцов рекомендуется принимать от 10 до 30 мм, а их длина зависит от способа измерения и устанавли­ вается такой, чтобы предотвратить продольный изгиб образцов и по­ терю устойчивости. Для испытаний на прочность без записи диаграмм деформирования используется нормальный образец с высотой, равной диаметру, а при необходимости измерения деформации в процессе ис­

пытания применяются длинные образцы с высотой 2,5—3d0, при этом расчетная длина принимается меньшей высоты на 0,5d0. Размеры образцов призматической формы не регламентируются.

Металлические образцы должны быть со всех сторон обточены или прошлифованы. При испытаниях стекла и ситаллов торцы образцов вклеиваются в обоймы для предотвращения выкрашивания. Для по* лучения воспроизводимых результатов в процессе одной серии испы­ таний на сжатие необходимо выполнять такие требования: торцы об­ разца должны быть параллельны между собой и перпендикулярны к его оси; для изготовления опорных плит необходимо использовать

Рис. 3. Типы головок образцов для испытаний на растя­ жение.

материал, имеющий большую твердость, чем материал образца; плос­ кая поверхность плит должна быть полированной; одна из плит долж­ на иметь сферическую опорную поверхность для предотвращения пе­ рекосов в процессе испытаний.

Если при сжатии образца не происходит его разрушения при

Образцы для испытаний на прочность при изгибе. Испытания на изгиб при статическом нагружении находят ограниченное примене­ ние в связи с реализацией в образце неоднородного напряженного со­ стояния и возникающими при его точном анализе трудностями, прак­ тически непреодолимыми при испытаниях образцов из пластпчиых материалов. Такие испытания применяются в основном при опреде­ лении характеристик прочности хрупких материалов (чугуны, кера­ мика, стекло, ситаллы), в которых вплоть до разрушения развиваются только упругие макродеформации, или полимерных и композицион­ ных материалов, при практическом использовании которых преобла­ дающими являются внешние нагрузки, вызывающие изгиб. Нагруже­ ние образцов при испытаниях иа изгиб производится по схеме

трехточечного или чистого изгиба. При этом используются только призматические образцы. Из хрупких материалов изготавливают образцы с размерами 9 X 12 X 120 мм, а из полимерных — длиной более 80 мм, шириной 10 мм и толщиной от 4 мм и более (для образцов из полимерных и композиционных материалов необходимо сохранить натурную толщину заготовки).

Образцы при испытаниях доводят до разрушения, а если разруше­ ние не происходит, что характерно для полимерных и композицион­ ных материалов, то испытания рекомендуется прекращать при стреле

прогиба, в 1,5 раза превышающей толщину образца.

Образцы для испытаний на кручение. Для испытаний на кручение используются образцы круглого поперечного сечения. Испытания проводятся в основном только для металлов и имеют ограниченное распространение. Это обусловлено тем, что в сплошных образцах при кручении реализуются условия плоского неоднородного напряжен­ ного состояния, точный анализ которого при упругопластическом деформировании так же, как и при изгибе, практически не выполним, а трубчатые тонкостенные образцы, напряженное состояние в которых принято считать однородным, не всегда можно довести до разрушения из-за потери ими пластической устойчивости даже при небольших уровнях пластических деформаций. Поэтому сплошные образцы ис­ пользуются преимущественно при испытаниях до разрушения мало­ пластичных металлов, а трубчатые — при испытаниях пластичных металлов до напряжений, незначительно превосходящих предел те­ кучести. Рекомендуется в качестве основных использовать сплошные образцы диаметром 10 мм с начальной расчетной длиной 100 или 50 мм и трубчатые образцы с внешним диаметром 20 мм, толщиной стенки 1 мм и начальной расчетной длиной 100 мм. При этом разность между максимальным и минимальным значениями внешнего диаметра н е9 должна превышать 0,2 %.

Форма и размеры головок образцов определяются способом креп­ ления образца в захватах испытательной машины.

На рабочей поверхности каждого образца параллельно его про­ дольной оси должна быть нанесена тонкая прямая линия с отметкой на ней расчетной длины. Разрушение образцов при испытаниях на кручение может происходить путем среза или отрыва. В первом слу­ чае трещина ориентирована перпендикулярно или параллельно оси образца, а во втором она распространяется по винтовой линии под углом 45° к оси.

Образцы для испытаний на ударный изгиб. Испытания на удар­ ный изгиб применяются для определения сопротивления вязких материалов хрупкому разрушению. Эти испытания проводятся при динамическом нагружении на маятниковых, ротационных копрах или копрах со свободно падающим грузом [8, 9, 15, 381. При испыта­ ниях используются призматические образцы с концентратором напря­ жений (надрезом), позволяющие определить ударную вязкость, которая является качественной характеристикой сопротивления мате­ риала хрупкому разрушению (образцы из хрупких материалов допу­ скается использовать без надреза). Испытания на ударный изгиб

применяются также для контроля качества обработки, контроля одно­ родности структурного состояния и исследования склонности мате­ риалов к старению. Этот метод является самым распространенным ме­ тодом сдаточного испытания материала наряду с методом испытания на растяжения в металлургической и металлообрабатывающей про­ мышленности и характеризуется предельной простотой и малым рас­ ходом металла на изготовление образцов. Охрупчивающий эффект при ударном нагружении образцов из вязких материалов достигается 8а счет исключения благодаря надрезу поперечного сужения и форми­ рования в вершине надреза объемного напряженного состояния, соот-

Рпс. 4. Образцы для испытаний на ударный ивгиб: образец Менаже с U-конден- тратором (я); образец с V-конценгратором (б); образец с Т-концентратором и усталостной трещиной (в) и форма концентратора для малых (г) п больших (б) образцов.

ветствующего всестороннему растяжению, а также благодаря лока­ лизации деформации в малом объеме у вершины надреза и реализа­ ции в этом объеме при высокоскоростном нагружении (5—30 м/с) больших скоростей деформирования.

При испытаниях на ударный изгиб используется три типа образ­ цов: с U (Менаже), V и Т-концентраторами; на рис. 4 показаны основ­ ные образцы с размерами поперечного сечения 10 X 10 мм и длиной 55 мм В соответствии с ГОСТ 9454—78 для испытаний можно также использовать образцы нормированной толщины от 2 до 10 мм (для Т-концентратора допускаются образцы с поперечным сечением 20 х X 25 мм и длиной 140 мм), высотой 8; 10 мм для образцов Менаже и с V -концентратором и 9; 10 и 11 мм для образцов с Т-концентратором. Длина всех этих образцов принимается равной 55 мм, а глубина надре­ за может изменяться от 2 до 5 мм в зависимости от типоразмера образ­ ца. Необходимо подчеркнуть, что образцы Менаже с U-концентратором в последнее время практически не применяются. Образцы с V-KOH- цептратором используются при выборе и приемочном контроле метал­ лов и сплавов для ответственных конструкций, а образцы с Т-концеит-

испытаниях способствует повышению надежности работы оборудо­ вания.

При испытаниях на ползучесть отдается предпочтение, образцам с удлиненным рабочим участком (например, для образцов с d0 — 10 мм предпочтительнее 10 — 200 мм), что позволяет повысить точность из­ мерения деформаций ползучести при небольших их абсолютных зна­ чениях.

Форма и размеры головок образцов не регламентированы и опре­ деляются способом крепления образца в захватах испытательной машины.

Образцы для испытаний на длительную прочность. При испытани­ ях на длительную прочность образцы доводятся до разрушения под действием постоянной растягивающей нагрузки и постоянной темпе­ ратуры й определяется предел длительной прочности (напряжения, вызывающие разрушение металла за определенное время). Испытания па длительную прочность весьма продолжительны, время их прове­ дения может изменяться от 50 до 10000 ч и более. При этих испытани­ ях используются такие же образцы, как и при испытаниях на ползу­ честь [2, 13]. Однако допускается использовать образцы с минималь­ ным диаметром до 3 мм, а в качестве основных рекомендуются цилинд­ рические образцыдиаметром 5 мм с начальной расчетной длиной 25 мм; диаметром 10 мм с начальной расчетной длиной 50 и 100 мм; диаметром 7 мм с начальной расчетной длиной 70 мм и плоские пропор­

циональные образцы с начальной расчетной длиной 10 — 5,65 F0, толщина которых определяется толщиной проката.

Образцы для испытаний на усталость. Испытания образцов на усталость проводятся при повторно-переменном нагружении в усло­ виях растяжения — сжатия, изгиба и кручения при симметричных и асимметричных циклах изменяющихся по заданному закону, напря­ жений или деформаций в широком диапазоне частот нагружения (от 3 10~4 Гц до 100 кГц) и долговечностей (от нескольких десятков до нескольких миллиардов циклов). В процессе испытаний на уста­ лость в материале развиваются упругие (при низких уровнях напря­ жений) или упругопластические (при больших напряжениях) цикли­ ческие деформации, вызывающие усталостное разрушение, которое сопровождается образованием и развитием до критического размера трещины, или квазистатическое, которое по своим внешним призна­ кам аналогично разрушению при испытаниях на кратковременную прочность. .А

Испытания металлов на усталость проводят на гладких образцах круглого или прямоугольного сечения, а также на образцах с различ­ ными выточками для определения чувствительности металла к кон­ центрации напряжений (рис. 6). Про испытаниях образцов допускает­ ся мягкое или жесткое нагружение; в первом случае контролируемым параметром является нагрузка или напряжение, а во втором — перемещение или деформация.

В пределах одной серии испытаний все образцы должны нагру­ жаться одним способом с использованием однотипных машин. При этом необходимо обеспечивать подобие силовых, циклов для получе-

ный участок на кривой усталости, и 10 • 107 циклов для легких и других сплавов, не имеющих на кривых усталости горизонтального участка [10г 11]. При таких долговечностях в материале развиваются малые неупругие деформации и поэтому анализ напряженного состоя­ ния и определение уровня напряжений в образцах даже при изгибе и кручении могут выполняться с достаточной точностью.

При испытаниях на малоцикловую усталость (в области долговечно­ стей с верхней границей до 5 104 — 2 10б циклов) в материале раз­ виваются большие пластические деформации. В этом случае при из­ гибе и кручении сплошных образцов (рис. 6), когда реализуются ус­ ловия неоднородного напряженного состояния, точное определение напряжений и деформаций затруднено. Поэтому в качестве основного вида нагружения при малоцикловых испытаниях рекомендуется рас­ тяжение — сжатие, при котором предпочтительнее использование об­ разцов корсетного типа для предотвращения потери устойчивости и продольного изгиба [10].

Необходимо отметить, что при конструировании образцов для ис­ пытаний на усталость и соответствующих захватов испытательных машин к точности их изготовления и надежности крепления предъяв­ ляются весьма жесткие требования. Это обусловлено тем, что помимо точного центрирования образцов система крепления должна обеспе­ чивать исключение проскальзывания и перемещения головки образца относительно захватов при знакопеременном циклическом нагруже­ нии. Поэтому при испытаниях на усталость (в отличие от испытаний па кратковременную и длительную прочность при статическом нагру­ жении) используются захваты силового типа, которые развивают уси­ лие зажима образца, значительно превосходящее значение максималь­ ной циклической нагрузки.

Современные гидравлические захваты для крепления образцов при усталостных испытаниях на растяжение — сжатие представляют со­ бой высокоточные сложные устройства, изготовление которых требует высокой культуры производства. Стоимость таких захватов может превышать стоимость всего силовозбуждающего устройства испыта­ тельной машины. Форма головок образцов для испытаний на уста­ лость может быть произвольной, однако их конструкция должна предусматривать наличие развитых посадочных поверхностей, обеспе­ чивающих центрирование образца в силовых захватах при больших усилиях зажима. Некоторые наиболее характерные типы головок об­ разцов для испытаний на растяжение — сжатие показаны на рис. 7.

Испытания образцов на усталость проводятся непрерывно до об­ разования трещины заданного размера, полного разрушения или до базового числа циклов.

Образцы для испытаний при сложном напряженном состоянии. Материал в реальных конструкциях при внешнем нагружении чаще всего работает в условиях сложного (плоского или объемного) напря­ женного состояния. Расчет элементов конструкций на прочность и описание особенностей их пластического деформирования в этом слу­ чае выполняются с использованием теорий прочности и пластичности, справедливость которых может быть установлена только в процессе

эксперимента. Поэтому методы испытаний при сложном напряженном состоянии получили развитие в основном для решения научных за­ дач и их широкое применение в практике механических испытаний

всвязи с трудностями реализации весьма ограничено.

Внастоящее время такие испытания проводятся в отдельных науч­ но-исследовательских организациях на специально разработанном оборудовании единичного производства и преимущественно при плос­ ком напряженном состоянии, получение которого требует преодоле­ ния меньших методических трудностей, чем объемного (здесь не рас­ сматриваются методы реализации плоского напряженного состояния

при таких простых видах ис­ пытаний, как кручение и попе­ речный изгиб).

Наиболее методически отра­ ботанными для металлов в ус­ ловиях плоского напряженного состояния можно считать испы­ тания тонкостенных трубчатых и плоских образцов, несмотря на то что методы этих испыта­ ний до настоящего времени не

•-{- стандартизированы.

При использовании трубча­ тых образцов обеспечивается широкий диапазон напряжен­ ных состояний и реализуются практически любые комбинации компонентов девиатора напря­ жений при пропорциональном и сложном нагружении. Совре­ менные машины для испытаний трубчатых образцов при плос­

ком напряженном состоянии позволяют осуществлять их независи­ мое нагружение силой, крутящим моментом и внутренним давлением, благодаря чему с использованием автоматизированных систем управления можно получать любые заданные траектории напряже­ ний и деформаций.

Трубчатые образцы должны удовлетворять таким требованиям [22]: быть достаточно тонкостенными, отношение толщины стенки к среднему диаметру образца не должно превышать 0,08; длина рабо­ чего участка образца должна быть пе менее 2,5 диаметра; разностенностьна рабочем участке не должна превышать 3 %. Для снятия остаточных напряжений образцы после изготовления необходимо под­ вергать термообработке или естественному старению; технология из­ готовления образцов й их монтаж должны обеспечивать строгую со­ осность рабочего участка, головок и захватов испытательной машины.

На рис. 8 показана конструкция образца, изготовленного из прут­ ка. В практике лабораторных испытаний используются также цель-

потянутые трубки, для крепления которых в захватах накатывают гофр или применяют цанговый зажим.

Достаточно широкое распространение при испытаниях на двух­ осное растяжение получили в последнее время плоские изготавливае-

Рнс. 8. Трубчатый образец для испытаний при плоском напряженном состоянии.

мые из листа крестообразные образцы (рис. 9). Они используются для испытания листовых материалов, а также в тех случаях, когда при­ менение трубчатых образцов неэффективно, например при исследо­ вании трещин и концентрации напряжении в условиях плоского

Рис. 9. Крестообраз­ ные образцы для ис­ пытаний на двухос­ ное растяжение.

напряженного состояния и закономерностей деформирования материа­ ла при малых упругопластических деформациях. В отличие от испы­ таний трубчатых образцов испытания крестообразных образцов позво­ ляют реализовать двухосное растяжение при отсутствии градиентов напряжений и деформаций по толщине стенки. Однако крестообраз­ ные образцы имеют большие габариты, и в этом один из их основных недостатков. Кроме того, использование крестообразных образцов с прорезями (рис. 9, а) при исследовании пластических деформаций ограничено только классом интенсивно упрочняющихся материалов; образцы с утонением на рабочем участке (рис. б) позволяют про­

водить испытания любых материалов вплоть до разрушения, но они нетехнологичны и на их рабочем участке удалены поверхностные слои проката.

Очевидно, что при испытаниях листовых крестообразных образ­ цов нельзя получить напряженные состояния с главными сжимаю­ щими напряжениями. Пожалуй, наибольшие трудности при испыта­ ниях таких образцов связаны с необходимостью использования спе­ циальных систем нагружения, обеспечивающих синхронизированное

Рис. 11. Механический реверсор (а) и гидравлическое устройство (б) для созда­ ния в образце слояшого напряженного состояния.

приложение нагрузок к образцу по взаимно перпендикулярным на­ правлениям. Однако наличие прорезей (рис. 9, а) и выкружек (рис 9, б) на плоских головках образцов обеспечивает формирование на рабочем участке достаточно большого поля однородных напряже­ ний при исследованиях.

Для испытаний при плорком напряженном состоянии используют­ ся также образцы в виде пластин различного профиля, расположен­ ных внутри жесткого обода (рис. 10). При нагружении таких образ­ цов на обычной машине, например, для испытаний на растяжение в пластине возникает плоское напряженное состояние с главными на­ пряжениями одинакового или противоположного знака. Изменяя раз­ меры и жесткость обода, при испытаниях таких образцов можно в узком диапазоне значений варьировать соотношение между главными напряжениями.

При исследовании хрупких материалов в условиях плоского на­ пряженного состояния, а при объемном напряженном состоянии — хрупких и пластичных материалов могут использоваться образцы в виде кубиков или толстых пластин со взаимно перпендикулярными гранями. Нагружение таких образцов может производиться жесткими пуансонами или гидравлически с помощью эластичных камер высоко­ го давления (рис. 11). Механический реверсор (рис. 11, а) представ­ ляет собой устройство, состоящее из плит 1 и силовых рычагов 2, ко­ торое преобразует внешнюю нагрузку в силы, прикладываемые к

Так как тип I раскрытия трещины путем отрыва под действием рас­ тягивающей нагрузки имеет наибольшее практическое значение, его рассматривают в качестве основного. С учетом конечности размеров реальных конструктивных элементов в соотношение (1.1) вводят по­ правочный коэффициент /, который отражает влияние геометрии де­ тали и трещины, и для трещин типа I записывают

Практическое значение коэффициента интенсивности напряжений заключается в том, что его критические величины рассматриваются в качестве критерия начала нестабильного развития хрупких трещин при плоском напряженном состоянии (Кс) и при плоском деформиро­ ванном состоянии (/flc) в условиях непрерывного роста растягиваю­ щей нагрузки. Значение /Сс, определяемое при плоском напряженном состоянии, зависит от толщины образца, с увеличением которой Кс уменьшается до своего минимального значения, равного К\с. Момент достижения коэффициентом интенсивности напряжений Кс при уве­ личении толщины образца значения К\й соответствует переходу от плоского напряженного к плоскому деформированному состоянию. Критический коэффициент интенсивности напряжений К\с является константой материала, его значения не зависят от формы и размеров образца, от размеров трещины и значений номинальных напряжений, а определяются структурным состоянием материала, температурой окружающей среды и скоростью деформации.

Для реализации плоского деформированного состояния необходи­ ма определенная толщина образца t, минимальное значение которой может быть найдено из соотношения

(1.3)

где <7Т — физический или условный (сто,2) предел текучести. Поскольку применение методов линейной механики разрушения

ограничено областью упругого деформирования (а это условие для трещин практически.выполняется при ст/стт *< 0*6), то для получения корректных результатов при определении Kc nKicC использованием •соотношений типа (1.2) необходимо* соблюдать такие требования: раз­ меры образцов при любых условиях испытания должны быть значи­ тельно больше, чем протяженность пластической зоны у вершины трещины; при проведении испытаний необходимо точно фиксировать нагрузку образца и критическую длину трещины к началу нестабиль­ ного роста; при данной форме образца должна быть известна точная •формула, описывающая связь между коэффициентом интенсивности напряжений, нагрузкой и длиной трещины.

Характеристики трещиностойкости определяют по результатам •однократных статических испытаний специальных образцов с предва­ рительно выращенной усталостной трещиной на трехточечный изгиб* •внецентренное или осевое растяжение.

Определение характеристик трещиностойкости при статическом нагружении на цилиндрических образцах (рис. 12) рекомендуется

проводить при осевом растяжении или изгибе; па плоских образцах преимущественно с центральной трещиной (рис. 13) — при осевом растяжении; на призматических образцах — при сосредоточенном изгибе (рис. 14), на плоских прямоугольных образцах — при внеценгрепном растяжении (рис. 15). Определять эти характеристики можно и на некоторых других типах образцов, если они отвечают сформулированным выше требованиям. В качестве основных в настоя­ щее время используются так называемые образцы на трехточечиый из­ гиб (см. рис. 14) и компактные образцы (см. рис. 15). Для листового металла толщиной 2— 10 мм рекомендуется использовать плоские образцы с центральной трещиной (см. рис. 13), а для больших тол­ щин — преимущественно компактные образцы и образцы на трехто­ чечный изгиб. Для пруткового материала рекомендуется использо­ вать цилиндрические образцы с кольцевой трещиной, нагружаемые осевой силой [32].

Компактные образцы характеризуются малым расходом металла, а образцы для испытаний на трехточечный изгиб наиболее просты в изготовлении и требуют минимальных (по сравнению с другими ти­ пами образцов) усилий испытательного оборудования.

Размеры образца устанавливаются в зависимости от выбранной или требуемой толщины £, которая в соответствии с соотношением (1.3) должна обеспечивать при определении Kjc развитие трещины в условиях плоского деформированного состояния. Так как оценка необходимой толщины t по формуле (1.3) возможна только при из­ вестном значении К\с, которое следует определить в процессе экспери­ мента и которое априори неизвестно, ориентировочную толщину t (или диаметр D) образцов устанавливают из приведенной ниже ее зависи­ мости от отношения предела текучести материала к модулю нормаль­ ной упругости.

Определив по этой зависимости толщину или диаметр образца, устанавливают* в соответствии с рекомендуемыми соотношениями дру­ гие его размеры.

По результатам испытаний, в процессе которых производится за­ пись диаграммы в координатах Р — V (сила — смещение берегов над­ реза), определяют расчетную нагрузку PQ и по точным формулам на­ ходят предполагаемое значение KQкритического коэффициента интен­ сивности напряжений. После этого значение /£Q подставляют в форму­ лу (1.3), и если требуемое условие удовлетворяется, то это значит, что найденное значение KQпредставляет собой значение критического коэффициента интенсивности напряжений /f Ic. Если в правой части получаем значение, большее значения t, то KQ получено для условий

плоского напряженного состояния и представляет собой /Сс. Следова­ тельно, для определения Ki0 необходимо увеличивать толщину об­ разца и проводить новые испытания.

Для цилиндрических и плоских образцов KQ вычисляют по фор­ мулам [32]

где Yx и У 2 — безразмерные поправочные функции, зависящие от гео­ метрии образца и длины трещины.

Для определения деформационных и энергетических характерис­ тик используются такие же образцы* как и показанные на рис. 12—15.

Глава П. СИСТЕМЫ СИЛОИАГРУЖЕНИЯ УСТАНОВОК ДЛЯ МЕХАНИЧЕСКИХ ИСПЫТАНИЙ

1. Классификация систем силоиагружения

Системы силоиагружения предназначены для создания рабочей на­ грузки заданного значения и передачи ее к объекту исследования по определенному закону. В этих системах происходит преобразование подводимой извне энергии в работу, затрачиваемую на деформирова­ ние и разрушение объекта исследования, его перемещение в процессе испытаний и преодоление сопротивления среды.

В качестве исполнительных органов в установках с замкнутым контуром регулирования используются системы силонагружения серийно выпускаемых промышленностью машин для механиче­ ских испытаний или нагружающие устройства индивидуального про­ изводства.

Рассмотрим принципиальные схемы машин и нагружающих уст­ ройств в соответствии с их классификацией по видам испытаний и принципу действия. При этом рассмотрим известные типы машин независимо от того, могут ли они эффективно использоваться в авто­ матизированных системах для испытаний.

В соответствии с характером нагружения и принятой классифика­ цией методов экспериментальных исследований системы силонагружения можно разделить на пять групп.

К первой группе уогут быть отнесены системы силоиагружения машин для статических испытаний на кратковременную прочность при скоростях деформирования от 1 10—8 до 5 мм/с. В зависимости от типа преобразователей, используемых для преобразования элект­ рической энергии в механическую работу, затрачиваемую на дефор­ мирование и разрушение образца, системы силоиагружения этих ма­ шин можно разделить на такие подгруипы: с механическим приводом; с гидравлическими преобразователями; с гидромеханическим при­ водом.

При испытаниях на кратковременную прочность обеспечивается непрерывное плавное изменение нагрузки от нуля до заданного зна­ чения в режиме мягкого или жесткого нагружения. При жестком нагружении контролируемым параметром является перемещение (де­ формация), а при мягком — пагрузка (напряжения). Системы сило­ иагружения с электрогидравлическими распределителями и гидроме-

ханическим приводом обеспечивают мягкое и жесткое нагружение, с гидравлическими преобразователями прямого действия — только мягкое и с механическим приводом — только жесткое. Поэтому систе­ мы первых двух типов являются более универсальными и характери­ зуются более широкими техническими возможностями.

Так, весь диапазон скоростей деформирования, характерных для статических испытаний на кратковременную прочность (1 10~8 — 5 мм/с), реализуется только при использовании систем с электрогидравлическими распределителями. Силонагружающие устройства дру­ гих типов позволяют изменять скорость деформирования не более чем в пределах четырех порядков.

Диапазон скоростей пагружения, реализуемых на машинах с

Ко второй группе относятся нагружающие устройства для испы­ таний на ползучесть, длительную прочность и релаксацию напряже­ ний. В установках для испытаний на ползучесть и длительную проч­ ность используются механические нагружающие устройства трех типов: с непосредственным нагружением образцов грузами, с рычаж­ ной системой нагружения; с пружинным нагружением.

Установки для длительных статических испытаний являются наи­ более простыми из всех известных типов установок. Автоматизация управления их нагружением обеспечивается с помощью несложных электроконтактных устройств и электромеханического привода. Простота и высокая надежность функционирования систем силонагружения в этих установках обеспечивают проведение непрерывных ис­ пытаний на длительную прочность и ползучесть продолжительностью от нескольких'десятков до 100 000 ч (11,5 лет).

В процессе испытаний в образцах поддерживается постоянное уси­ лие. Для обеспечения постоянства напряжений используются спе­ циальные устройства» с помощью которых пропорционально умень­ шению площади поперечного сечения образца при пластическом де­ формировании уменьшается плечо грузового рычага или вес груза. Распространение испытаний при постоянном напряжении весьма ограничено, так как в таких условиях материал в реальных элементах конструкций не работает. Получаемые в этом случае кривые ползу­ чести металлрв пе имеют третьего участка, процесс ползучести носит затухающий характер и не завершается полным разрушением. Поэто­ му для испытании на длительную прочность применяется схема с по­ стоянной нагрузкой.

При релаксационных испытаниях полная деформация образца поддерживается постоянной и происходит непрерывное уменьшение напряжений. Такой режим нагружения может обеспечиваться уста­ новками двух типов: с замкнутым силовым коптуром; с системой ком­ пенсационной разгрузки.

Релаксационные установки этих типов позволяют исследовать релаксацию напряжений в стержневых сплошных пли трубчатых образцах: при линейном однородном и плоском напряженных состоя­ ниях.

Самостоятельный интерес представляет метод испытаний на релак­ сацию, который известен как метод Одинга. Он основан на использо­ вании разрезных кольцевых образцов равного сопротивления изги­ бу. Нагружение таких образцов производится с помощью клина, вставляемого с натягом в прорезь. Релаксация напряжений при изги­ бе в этом случае может исслёдоваться так же, как и при использова­ нии устройств с замкнутым силовым контуром (когда уменьшение напряжений вызвано перераспределением деформации между упру­ гой и пластической составляющими в замкнутой системе клин — об­ разец) или установок компенсационного типа (когда уменьшение напряжений достигается вследствие периодической разгрузки коль­ цевого образца).

К третьей группе относятся системы силонагружения копров и установок для динамических испытаний, обеспечивающие скорости деформирования от 5 мм/с до 1000 м/с и более. В зависимости от спо­ соба возбуждения динамических нагрузок их можно разделить на такие подгруппы: с гидравлическими преобразователями; с пневмати­ ческими преобразователями; с магнитоимпульсными преобразовате­ лями; с гравитационно-маятниковыми устройствами; с ротационными преобразователями; с гравитационными устройствами; с пневмопороховыми устройствами.

Взависимости от характера изменения напряжений рассматрива­ ют два вида динамического нагружения — скоростное и импульсное {ударное). Скоростное нагружение реализуется при скоростях дефор­ мирования не более 25 м/с на пороховых, электрогидравлических и пневматических установках, которые обеспечивают разгон тела до требуемой скорости деформирования. При таком нагружении напря­ жения в объекте исследования увеличиваются плавно от нуля до конечного значения и в этом случае волновые явления могут не учи­ тываться. При импульсном (ударном) нагружении напряжения в объекте исследования возрастают практически мгновенно за счет тор­ можения, предварительно разгоняемого до высокой скорости (5— 1000 м/с) тела. В этом случае используются кинетическая энергия падающего груза, потенциальная энергия сжатого газа, энергия взры­ ва или энергия электромагнитного поля.

Всвязи с тем что при однократном импульсном нагружении раз­ рушение происходит в течение очень малого интервала, времени дли­

тельностью от нескольких долей микросекунды до нескольких милли­ секунд, при таких испытаниях необходимо учитывать волновые яв­ ления в образце и цепи нагружения, радиальную инерцию материала и другие эффекты, обусловливающие неоднородность деформирован­ ного состояния образца и нарушающие задаваемый закон деформиро­ вания.

Динамические испытания в зависимости от принятой схемы силовозбуждения проводят в режиме мягкого или жесткого нагружения. При импульсном приложении нагрузки методически более просто реализовать жесткий режим, при котором обеспечивается постоянство скорости деформации за счет ударного нагружения образца бойком. В этом случае энергия импульса должна быть намного больше работы

чеиии и изгибе. Испытания на изгиб и кручение имеют ограниченное распространение в связи с возникновением при обработке результа­ тов измерений методических трудностей. Поэтому наибольший удель­ ный вес среди всего оборудования для механических испытаний, в том числе и для испытаний на кратковременную прочность, имеют маши­ ны для испытания на растяжение и сжатие. Они находят также применение при статических испытаниях на изгиб и кручение благодаря использованию специальной оснастки и приспособлений.

Оригинальные машины для испытаний на кручение очень ограни­ ченной номенклатуры применяются и при статическом, и при цикли­ ческом нагружении, причем их силовые схемы принципиально не от­ личаются от схем машин, используемых для растяжения и сжатия.

Специализированные машины для испытания на изгиб (с механи­ ческими возбудителями нагрузок) получили распространение только для исследования усталости. При дальнейшем рассмотрении силовых схем средств механических испытаний основное внимание будет уде­ лено машинам для испытаний на растяжение и сжатие. Последова­ тельность такого рассмотрения соответствует принятой нами класси­ фикации систем силоиагружения по характеру действующих нагру­ зок, принципам их возбуждения и типу используемых преобразова­ телей х.

Любую систему силоиагружения испытательных машин можно разделить на две: систему замыкания и систему возбуждения. К систе­ мам замыкания относятся силовые элементы, по которым замыкается силовая цепь системы силоиагружения — захват, объект исследова­ ния, силовая рама и некоторые детали преобразователя механической энергии, потенциальной энергии жидкости или газа в работу дефор­ мирования и разрушения объекта исследования. В систему возбужде­ ния входят агрегаты и устройства, выполняющие функцию преобра­ зования механической или электрической энергии в работу деформи­ рования и разрушения объекта исследования. В системах возбуждения машин с механическими преобразователями электрическая энергия с помощью электропривода и механической передачи непосредствен­ но без использования промежуточной рабочей среды преобразуется

вработу деформирования и разрушения.

Вэлектрических системах электрическая энергия или энергия электромагнитного поля также непосредственно преобразуется в ра­ боту, затрачиваемую на испытания объекта исследования. И только

всистемах с гидравлическими и пневматическими преобразователями

вцепи преобразования требуется использование промежуточных аг­ регатов и устройств для передачи с помощью рабочей среды энергша от электродвигателя к объекту исследования. В таких системах обцзательпыми элементами в цепи преобразования являются электроме­ ханический и механогидравлический преобразователи электрической

1 До настоящего времени еще пе сформулированы единые принципы клас­ сификации машин для механических испытаний. Используемые для классифика­ ции признаки весьма разнообразны и неравноценны. Машины разделяют на простые и универсальные; широкого применения, специализированные и целе­ вые; однозонные и двухзонные; одноходовые, реверсивные, инверсивные и т. д.

•энергии в потенциальную энергию жидкости, распределители и ма­ гистрали транспортировки сжатой жидкости, гидромеханический преобразователь (в системах с пневматическими преобразователями в качестве рабочей среды используется воздух или нейтральные газы). Поэтому системы силонагружения, основанные на использовании в качестве рабочей среды жидкости или газа, являются наиболее слож­ ными по своей структуре. Однако, несмотря на это, они находят в последнее время все более широкое применение в практике механи­ ческих испытаний, так как характеризуются большей универсаль­ ностью и более широкими возможностями в формировании требуемых режимов нагружения.

3. Системы замыкания машин с механическим и гидравлическим возбуждением нагрузок

Конструктивное оформление систем замыкания машин с механиче­ ским и гидравлическим возбуждением нагрузок показано на рис. 16 и 17 [17]. Если силовые элементы машины образуют одну замкнутую цепочку, то машина с такой системой замыкания называется одиозонной. В двухзонных машинах в системе замыкания могут формиро­ ваться две независимые силовые цепочки. Поэтому в рабочем прост­

независимом рабочем пространстве двухзонных машин можно ини­ циировать нагрузку только одного знака, и поэтому они могут ис­ пользоваться при испытаниях на усталость при циклическом зна­ копостоянном нагружении.

Системы силонагружения машин для механических испытаний формируются таким образом, что однозонные системы замыкания всегда объединяются с системами возбуждения знакопеременных на­ грузок (статических и повторно-переменных), а двух зонные — знако­ постоянных нагрузок.

Рассмотрим силовые схемы систем замыкания машин с механиче­ ским и гидравлическим возбуждением нагрузок.

В однозонной разрывной машине с механическим нагружающим устройством силовой контур замыкается через станину 1, колонны 3, верхнюю траверсу 5 и захваты 6 и 7 (рис. 16, а). При испытаниях образцов на растяжение колонны сжаты, а при испытаниях на сжа­ тие — растянуты. Обычно привод 2 однозонных машин располагается в станине, а силоизмерительное устройство 4 монтируется в месте перехода от верхнего захвата к траверсе. Однозонные системы замы­ кания применяются в машинах отечественного производства МР-5 и УМ-5, предназначенных для статических испытаний на кратковре-

Рнс. 17. Силовые схемы замыкаппя машин с гидравлическим возбуждением на­ грузок: двухзонной (а) и однозонной с верхним (б) и нижним (в, г) расположением рабочих гидроцилиндров (А — зона растяжения, Б — вона сжатия),

менную прочность, а также в машинах УМЭ-10Т для испытаний на малоцикловую усталость. В таких машинах используется двухколон­ ная силовая схема.

В двухзонных машинах (рис. 16, б) испытания на растяжение про­ водятся в верхнем рабочем пространстве, а испытания на сжатие —. в нижнем. Причем и в одном, и в другом случае нагрузка к испыты­ ваемому образцу передается от размещенного в станине 1 привода 2 через грузовые винты 9 и подвижную траверсу 8, которая переме­ щается вверх — вниз при вращении винтов. При испытаниях на растя­ жение силовой контур замыкается через станину, колонны, верх­ нюю траверсу, захваты, подвижную траверсу и грузовые винты. В этом случае колонны сжаты, а грузовые винты растянуты. Если про­ водятся испытания на сжатие, то силовая цепочка замыкается через станину, грузовые винты и подвижную траверсу. Наиболее подходя­ щее место для размещения силоизмерителя в двухзонных машинах — подвижная траверса, через которую силовая цепочка замыкается при испытаниях и на растяжение, и на сжатие. Преимущество двухзон­ ных машин перед однозонными — повышенная жесткость системы замыкания, что при реализации жестких режимов нагружения обес­ печивает возможность получения с использованием таких машин пол­ ных диаграмм растяжения.

Двухзонные системы замыкания использованы в ряде отечествен* ных и зарубежных машин с механическим и гидромеханическим воз­ буждением нагрузок. В отличие от приведенной на рис. 16, б схемы в машинах фирмы «Инстрон» (Англия) с гидромеханическим возбудите­ лем верхняя зона используется для испытаний на сжатие, а нижняя — для испытаний на растяжение.

Силовые схемы систем замыкания машин с гидравлическими преобразователями отличаются большим разнообразием, чем рассмот­ ренные (рис. 17). В этих машинах больше удельный вес однозонных силовых цепей, характерных для систем нагружения, используемых как при статических испытаниях, так и при испытаниях на усталость с симметричными и асимметричными циклами нагружения. Двух­ зонные машины с гидравлическим возбуждением в основном приме­ няются для статических испытаний (при циклическом нагружении на таких машинах реализуется только пульсирующий цикл с низкой частотой).

Силовая схема двухзонной гидравлической машины приведена на рис. 17, а. При испытаниях на растяжение объект исследования размещается в нижней зоне (под подвижной траверсой), а при испы­ таниях на сжатие — в верхней зоне силовой рамы. Силовой контур двухзонной машины при растяжении образца замыкается через ста­ нину 7, колонны 4, верхнюю траверсу 5, верхнюю траверсу реверсора 6, стойки 7, нижнюю траверсу реверсора 9 и захваты 2, 3. При этом колонны сжаты, а стойки растянуты (прикладываемая к образцу на­ грузка возбуждается в рабочем гидроцилиндре 8). Благодаря исполь­ зованию реверсора при сжатии, так же как и при растяжении образ­ ца, колонны сжаты, а стойки растянуты и все силовые элементы си­ стемы замыкания находятся в условиях одинакового напряженного состояния независимо от вида испытаний.

К недостаткам рассмотренной схемы следует отнести сравнительно невысокую жесткость силовой цепочки при такой компоновке и воз­ можность возникновения поперечных колебаний узла реверсора с захватами, подвешенного на масляной подушке на верхней траверсе машины. Эти недостатки весьма существенны при циклических испы­ таниях: обычно частота собственных поперечных колебаний узла реверсора совпадает с диапазоном рабочих частот пульсатора гидрав­ лической машины. Это требует проведения перед испытаниями спе­ циальной частотной настройки системы силонагружения.

Такими же недостатками характеризуются однозонные машины с верхним расположением гидравлических цилиндров, которые в ос­ новном используются для испытаний на усталость (рис. 17, б). Сило­ вая цепочка в полуцикле растяжения замыкается в этих машинах через захват 2, станину 1, колонны 4, верхнюю траверсу 5, верхний гидроцилиндр 8, верхнюю траверсу реверсора 6, стойки 7, иижшою траверсу реверсора 9 и захват 3. Колонны в этом случае сжаты, а стойки реверсора растянуты. В полуцикле сжатия нагрузка возбуж­ дается в нижнем гидроцилиндре 8', и силовая цепочка замыкается через траверсу реверсора 9, захваты 3 и 2, станину 1, колонны 4, верх­ нюю траверсу 5 и нижний гидроцилиидр. Колонны растянуты, а стой­

ки и верхняя траверса реверсора не напряжены. Таким образом, ко­ лонны в процессе знакопеременного циклического нагружения перио­ дически растягиваются или сжимаются, а стойки реверсора восприни­ мают нагрузку только в полуцикле растяжения. Поэтому так же, как и для силовой схемы, приведенной на рис. 17, а, расчет колонн для рассматриваемой системы замыкания необходимо выполнять на устойчивость, а стоек реверсора — только на прочность при растя­ жении.

Для того чтобы устранить основной недостаток однозопных машин такого типа, связанный с размещением нагружающих гидроцилинд­ ров и соответствующих силовых элементов на верхней траверсе, ис­ пользуют силовые схемы с расположением гидроцилиндров в станине (рис. 17, в). Машины, построенные по этой схеме, характеризуются более высокой частотой поперечных колебаний и преимущественно используются для испытаний при больших нагрузках, достигающих 10 МИ, и низких частотах циклирования. Знакопеременные нагрузки при испытаниях на усталость возбуждаются в таких машинах с по­ мощью гидропульсаторов двухстороннего действия, обеспечивающих получение циклов нагружения с практически любым коэффициентом асимметрии. Силовой контур в полуцикле растяжения образца замы­ кается через захват 2, верхнюю траверсу 9, стойки 7 и нижнюю травер­ су 6 реверсора, пижний гидроцилиндр 8', станину 1, колонны 4, траверсу 5 и захват 3. При сжатии образца силовая цепочка проходит через нижний захват 2, верхний гидроцилиндр 8, станину 1, колонны 4, траверсу 5 и захват 3. Установка верхнего захвата 3 машины по высоте выполняется с помощью привода 10, который перемещает траверсу 5 с захватом относительно колонн 4 с упорной резьбой.

В процессе испытаний колонны машины подвергаются воздействию знакопеременной нагрузки, поэтому их необходимо рассчитывать не только на прочность, но и на. устойчивость.

В машинах с предельной нагрузкой более 0,5 МН в силовой цепоч­ ке используются четырех колонные системы замыкания.

Следует отметить, что в силовых схемах, показанных на рис. 17, а, б, в, имеется один общий недостаток, который ограничивает частот­ ные возможности основанных на использовании этих схем машин. Этот недостаток обусловлен большой массой и высокой инерцион­ ностью подвижных деталей блока гидроцилиндров и реверсора, ко­ торые при циклическом нагружении совершают возвратно-поступа­ тельное движение. Верхняя частотная граница даже для маломощ­ ных машин такого типа не превышает нескольких герц, а для машин с предельными нагрузками более 0,5 МН она и того меньше.

Поэтому в последнее время широкое распространение получили электрогидравлические системы силонагружения, основанные на ис­ пользовании так называемых цилиндров двойного действия. Однозон­ ная система замыкания машин с цилиндром двойного действия (рис. 17, г) аналогична приведенной на рис. 17, в. Рабочий гидроцилиидр в таких машинах размещен в станине; силовой контур при ра­ стяжении и сжатии замыкается через верхний вахват 3, траверсу 5, ко­ лонны 4, станину 1 и гидроцилиндр 8 с нижним захватом 2, который

выполняется заодно с пустотелым штоком поршня цилиндра. Масло вы­ сокого давления поочередно подается в верхнюю или нижшою полость гидроцилиндра и перемещает малоинерционный поршень, вызывая циклическое растяжение или сжатие образца. Поршень гидроцилинд­ ра имеет небольшую массу, малую инерционность, и поэтому исполь­ зование гидроцилиндров двойного действия в совокупности с электро­ гидр авлическими сервоклапанными преобразователями позволяет существенно повысить верхнюю границу рабочих частот (до 500 Гц), что в свою очередь требует повышения жесткости силовой рамы. Увеличение жесткости достигается за счет использования четырех­ колонной системы замыкания, а также применения в однозонной ма­ шине двойной силовой рамы, аналогичной показанной на рис. 17, б и используемой в двухзонных машинах с механическим приводом. Такие силовые схемы реализованы в машинах отечественного произ­ водства УРС с электрогидравлическими преобразователями, а также

вмашинах ряда зарубежных фирм.

Вотечественных электрогидравлических испытательных машинах серии УЭ с гидроцилиндром одностороннего действия, обеспечиваю­ щим так же, как и цилиндр двойного действия, циклическое знако­ переменное нагружение, использована оригинальная схема замыкания, которая отличается от показанной на рис. 17, г способом и меха­ низмом установочного перемещения верхнего захвата образца. В со­ ответствии с приведенной на рис. 17, г схемой установочное переме­

маточных гаек относительно колонн с нарезанной на них силовой резь­ бой. В машинах серии УЭ верхняя траверса жестко крепится к колон­ нам, а сами колонны выполнены гладкими. При этом нижние части ко­ лонн являются поршнями двух расположенных в станине гидро­ цилиндров, которые обеспечивают установочное перемещение колонн вместе с траверсой и верхним захватом после освобождения гидрав­ лических фрикционных зажимов, фиксирующих колонны в требуе­ мом положений. Такая система замыкания характеризуется повышен­ ной жесткостью благодаря использованию безрезьбовых гладких ко­ лонн, отсутствию элементов механических передач в силовой цепочке и надежной работе гидравлических зажимов. Это позволило в маши­ нах серии УЭ, даже предназначенных для испытаний при значитель­ ных нагрузках, применить простой двухколонный силовой контур.

Рассмотренные системы замыкания машин для испытаний на крат­ ковременную прочность и на усталость с механическим и гидравличе­ ским возбуждением обеспечивают полное кольцевое замыкание сило­ вого контура по элементам силовой рамы машины и по объекту иссле­ дования. Поэтому при правильном конструировании основанных на использовании таких схем испытательных машин для обеспече­ ния их нормальной эксплуатации не требуется создания мощных фундаментов. Современные электрогидравлические установки с пре­ дельной нагрузкой до 0,5 МН выпускаются в напольном исполнении и могут устанавливаться без фундамента в обычных лабораторных помещениях.

4. Машины с механическим приводом

Машины с механическим приводом применяются при испытаниях на кратковременную прочность и малоцикловую усталость. Они обеспе­ чивают возбуждение статических или повторно-статических нагрузок с небольшой частотой. Используемые в таких машинах червячновиптовые механические преобразователи, привод которых осуществ­ ляется от электродвигателя переменного или постоянного тока через систему механических передач, позволяют получать скорости пере­ мещения активного захвата не более 100 мм/мин и проводить исны-

Рис. 18. Схемы систем нагружения с механическим приводом:

а — с подвижным грузовым винтом; б — с неподвижными грузовыми винтами.

тания только в жестком режиме нагружения. При повторно-статиче­ ских длительных испытаниях таким скоростям деформирования соот­ ветствуют частоты нагружения не более 5 цикл/мин.

Типичная схема машины с механическим преобразователем пока­ зана на рис. 18, а. Вращение от реверсивного двигателя переменного’ тока 1 через клиноременную передачу 2 и коробку передач 3 передает­ ся к червячному редуктору 4. В ступице червячного колеса выполне­ но отверстие с упорной резьбой, в котором перемещается грузовой винт 5, изготовленный заодно с подвижным захватом образца. При вращении колеса винт перемещается только в вертикальной плос­ кости, передавая нагрузку к образцу 6. Такая схема нагружения при­ меняется в отечественных машинах серии УМЭ-10Т с предельным усилием 0,1 МН. Изменение скорости деформирования образца в этих машинах осуществляется благодаря применению коробки пе­ редач со ступенчато регулируемой частотой вращения выходного вала; обеспечивается такое соотношение чисел оборотов выходного вала ко входному: 1 1 ,1 10, 1 100, 1 1000, 1 : 10000, которому соответствует диапазон скоростей от 0,005 до 100 мм/мин. Знак нагруз­ ки при статических и циклических испытаниях изменяется за счет

реверсирования выходного вала электродвигателя по команде от си­ стемы управления.

Бесступенчатое регулирование скорости перемещения активного захвата в некоторых машинах обеспечивается благодаря использова­ нию двигателей постоянного тока, угловую скорость которых можно плавно изменять с помощью тиристорного блока.

В машинах с рассмотренной системой нагружения используется •однозонный контур силового замыкания (см. рис. 16, а).

Довольно широкое распространение для испытаний при статиче­ ском и повторно-статическом нагружении получили в последнее вре­ мя двухзонные машины (см. рис. 16, б), в которых основными элемен­ тами механического преобразователя служат грузовые винты и под­ вижная траверса.

Схема системы силонагружения отечественных машин серии Р такого типа показана на рис. 18, б. Нагрузка прикладывается к об­ разцу 7 через активный захват 6 от подвижной траверсы 5, которая перемещается в вертикальной плоскости при вращении грузовых винтов 4. Привод грузовых винтов осуществляется от электродвига­ теля постоянного тока 1 через червячный редуктор 2 и шестеренчатый редуктор 3. Частота вращения электродвигателя может плавно бесступенчато регулироваться с помощью системы тиристорного управ­ ления, что позволяет изменять скорости движения активного захвата машины от 1 до 100 мм/мин.

Отечественной промышленностью выпускаются машины с двух­ винтовой схемой нагружения предельным усилием до 50 кН. На та­ ких машинах проводятся испытания на растяжение и сжатие при ■статическом и повторно-статическом нагружении, а также на изгиб. При этом может реализоваться только жесткий режим нагружения -с контролем скорости перемещения активного захвата образца.

■5. Машины с гидравлическими преобразователями

Машины с гидравлическими преобразователями так же, как и маши­ ны с механическим приводом, используются при статических испыта­ ниях на кратковременную прочность и повторно-статических испыта­ ниях. Они отличаются весьма широкими техническими возможностя­ ми: обеспечивают мягкий и жесткий режимы нагружения, большие скорости и большой диапазон перемещения активного захвата (до 20 м/с и 2 м соответственно), широкий диапазон предельных нагрузок (от нескольких ньютон до сотен тысяч меганыотон). Кроме того, с использованием гидравлических преобразователей можно проводить испытания при длительном статическом, циклическом и динамиче­ ском (скоростном) нагружении.

В цепи силовозбуждения гидравлических машин обязательны три основных звена [18J: электромех апогидравлическое, в котором электроэнергия питания трансформируется в энергию движения сжатой жидкости; гидравлическое, представляющее собой тракт гидропередачи сжатой жидкости к исполнительному органу, и гидро­ механическое, в котором энергия сжатой жидкости преобразуется в

механическую работу деформирования и разрушения образца, пере­ мещения и упругого деформирования силовых элементов цепи замы­ кания.

Конструктивно электромеханогидравлическое звено представляет собой электропривод с насосной установкой; гидравлическое — си­ стему трубопроводов с различными клапанами, фильтрами и другой арматурой; гидромеханическое — гидродвигатель или силовой гид­ роцилиндр с поршнем, который через систему захватов жестко связан

собразцом.

Вмашинах для статических испытаний управление потоком сжа­ той жидкости к силовому цилиндру, т. е. управление режимом нагру­ жения, осуществляется в первом или во втором звене. Системы на­ гружения с управлением нагружением в первом звене в соответствии с принятой нами классификацией называются системами прямого дей­ ствия, а с управлением во втором звене, осуществляемом с помощью электрогидранлических усилителей — преобразователей дроссель­ ного типа,— системами с электрогидравлическими преобразовате­ лями.

Всистемах прямого действия для управления движением жидко­ сти используют регулирование частоты вращения привода насоса и производительности насоса, а также разделение с помощью гидравли­ ческих устройств потока жидкости непосредственно после ее выхода из насоса на две части, одна из которых (основная) подается в гидрав­ лический тракт, а другая на слив.

Всистемах с электрогидравлическими преобразователями управ­

ление потоком сжатой жидкости осуществляется путем ее разделения на выходе из гидравлического тракта также на два потока, один из которых направляется дроссельным распределителем в силовой ци­ линдр, а второй на слив.

Типичная схема гидравлической машины с силовозбуждением пря­ мого действия показана на рис. 19, а. Масло из емкости 1 с помощью насоса 2 с регулируемой подачей нагнетается через регулятор расхо­ да 4, фильтр 5 и обратный клапан 6 по трубопроводу высокого давле­ ния 7 в рабочий цилиндр 8. Перемещение поршня 9 через жесткую раму-реверсор 10 передается подвижному захвату 11 и образцу 12. Гидравлические машины такого типа снабжены цилиндром простого действия с односторонней рабочей полостью. Они могут создавать нагрузку в одном направлении; для получения нагрузки противопо­ ложного знака используется реверсор. Рассматриваемая система силовозбуждения обычно компонуется с системой замыкания, показан­ ной на рис. 17, а.

Управление нагружением в гидравлических машинах такого типа осуществляется с помощью регуляторов подачи (производительности) регулируемых насосов или регуляторов скорости в сочетании с вен­ тилями сброса. Регуляторы скорости широко используются в систе­ мах, укомплектованных насосами с нерегулируемой производитель­ ностью. Машины, рассчитанные на нагрузки более 1 МЫ, снабжаются также стабилизаторами нагрузок; основным элементом системы уп­ равления со стабилизацией давления является прецизионный пере-

лнвиой клапан, настройка которого позволяет получить любой уро­

Управление производительностью насоса и расходом сжатого мас­ ла в системе осуществляется вручную или с помощью управляемого шагового двигателя. При ручном управлении рычаг 3 (рис. 19, а) связывают с регулятором производительности и расхода насосной установки таким образом, чтобы его определенному положению со­ ответствовала определенная скорость подачи масла в гидроцилиндр и определенная скорость нагружения» образца.

Рис. 19. Схемы систем нагружения с гидравли­ ческим возбуждением:

а — прямого действия, б — с ЭГР.

Расширение технических возможностей машин для испытаний при статическом нагружении связано с применением в них гидравли­ ческих систем силовозбуждения с электрогидравлическими распре­ делителями (ЭГР)х, которые позволяют в достаточно широком интер­ вале значений варьировать параметры мягкого и жесткого' режимов нагружения и автоматически управлять ходом эксперимента.

Современные установки с замкнутым контуром регулирования основаны на использовании ЭГР, которые представляют собой преци­ зионные электромагнитные золотники сложного профиля, изготовлен­ ные из специальных никелевых сплавов с заданными магнитными свойствами, позволяющие с высокой точностью по команде от системы автоматического управления регулировать подачу масла в активную полость силового цилиндра. С помощью ЭГР подаваемый от насосной установки по гидравлическому тракту поток сжатого под высоким давлением масла разделяется на два потока, один из которых дозированно направляется в гидроцилиндр (гидромеханический преобра­ зователь), обеспечивая нагружение объекта исследования по задан­ ному закону, а второй поток — на слив. ЭГР устанавливается в систе-1

1 В технической литературе также используются такие названия ЭГР: дрос-* сельный электрогидравлический усилитель, преобразователь электрогидравлический (ПЭГ), магнитоэлектрический преобразователь, дроссельный электро­ гидравлический возбудитель, электродроссельный усилитель, сервозолотник, сервоклапан и т. п. Здесь и далее мы будем в основном использовать в соот­ ветствии с назначением этих сервоклапанов два названия: ЭГР — для гидро­ систем, применяемых в машинах для статических испытаний, и ПЭГ — в машинах для циклических испытаний.

ме силовозбужДения на границе между вторым и третьим звеном, т. ё. на выходе из гидравлического тракта и на входе в гидромеханический преобразователь.

Автоматизированные гидравлические машины для статических испытаний на кратковременную прочность не предназначены для реа­ лизации переменных или скоростных режимов нагружения, поэтому для управления силовым цилиндром в них применяют односторонние (несимметричные) электрогидравлические распределители, которые управляют подачей масла только в одну рабочую полость гидроци­ линдра. Обычно несимметричные ЭГР комплектуются с дифферен­ циальными цилиндрами одностороннего действия, как, например, в отечественных машинах серии УЭ. При использовании для испы­ таний при статическом нагружении гидросистем с двухполостными симметричными цилиндрами и соответствующими симметричными электрогидравлическими преобразователями (обычно входящими в состав систем для циклических испытаний) управление осуществляет­ ся одной рабочей полостью гидроцилиндра: верхней при растяжении или нижней при сжатии образца.

Схема системы силоиагружения гидравлических машин с ЭГР и дифференциальным рабочим цилиндром показана на рис. 19, б. Масло под высоким давлением подается насосом 6 с электродвигате­ лем 8 из резервуара 7 через фильтр 4, обратный клапан 3 и ЭГР 9 по трубопроводу 2 в цилиндр 10 (перепускной клапан 5 является пре­ дохранительным). Поршень со штоком 11 перемещается и растяги­ вает или сжимает образец 12. В цепи верхнего неподвижного захвата 13 установлен датчик силы 14, сигнал которого подается в блок ав­ томатического управления нагружением 15 и далее в ЭГР по замкну­ тому контуру. В рассматриваемом случае контролируемым парамет­ ром является нагрузка и в процессе испытаний реализуется мягкий режим нагружения. Регулирование управлением в системах силовозбуждения с ЭГР также может выполняться по деформации или пере­ мещению от датчиков, установленных в силовой цепи параллельно образцу (на схеме не показаны), для обеспечения жесткого режима нагружения.

Дифференциальный гидроцилиндр 10 с односторонним штоком, наиболее широко используемый в машинах для статического и повтор­ но-статического нагружения, имеет две полости: пассивную — верх­ нюю и активную (рабочую) — нижнюю. Эффективная площадь пас­ сивной полости существенно меньше, чем активной, и соединена непосредственно с магистралью стабилизированного питания от гидро­ аккумулятора 1: Активная полость соединена с гидравлическим трак­ том через ЭГР, как правило, закрепляемый на цилиндре. Программа нагружения при использовании таких дифференциальных цилиндров отрабатывается за счет управления активной полостью. Если давление в активной полости уменьшается, образец растягивается; при увели­ чении давления к образцу прикладывается сжимающая нагрузка. Таким образом, благодаря различию рабочих площадей в активной и пассивной полостях гидроцилиндра можно при одинаковом стабили­ зированном давлении в пассивной полости и на входе в ЭГР получать

вобразце сжимающее усилие, а растяжение осуществлять при давле­ нии масла, значительно меньшем стабилизированного.

Использование симметричных цилиндров с двусторонним штоком

восновном связано с применением гидравлической системы силовозбуждения в машинах для испытаний на усталость с ПЭГ. Система замыкания силового контура гидравлических машин с ЭГР и ПЭГ одинакова й аналогична представленной на рис. 17, г. Компонов­ ка таких машин характеризуется нижним (в пьедестале) расположе­ нием блока гидроцилиндров и подвижностью верхней траверсы.

Следует подчеркнуть, что привод верхней траверсы в большин­ стве машин с электрогидравлическими преобразователями в основном осуществляется от специальных гидросистем. Так, в комплексе фир­ мы «Гитротест» обе колонны представляют собой штоки поршней, размещенных в установленных на траверсе цилиндрах. Основной, размещенный в станине, гидроцилиндр и цилиндры траверсы, запи­ тываемые от общей насосной устаповки, позволяют нагружать обра­ зец при общем ходе до 800 мм. В рассматриваемом случае нагружение можно осуществлять независимо каждым в отдельности или одновре­ менно двумя приводами.

В некоторых моделях гидравлических машин фирмы «Инстрои» с ЭГР при статических испытаниях нагружение образца производится также с помощью верхней траверсы, которая перемещается от меха­ нического привода, выполненного в виде червячно-винтового меха­ низма и обеспечивающего скорость деформирования в интервале 0,05—500 мм/мин.

В некоторых отечественных гидравлических машинах для стати­ ческих испытаний колонны используются в качестве поршней сило­ вых цилиндров, установленных в пьедестале. Поршни-колонпы при нагружении перемещаются вместе с верхней траверсой, растягивая образец. По такой схеме выпускается портативная разрывная машина РМ-50 с предельной нагрузкой 0,5 МН.

В отечественных машинах серии УЭ верхняя траверса, жестко закрепленная на двух колоннах, также перемещается вместе с колон­ нами, которые выполняют функцию поршней гидроподъемников. Гид­ роцилиндры размещены в станине. В отличие от машины типа РМ-50 в машинах серии УЭ эти гидроцилиндры являются вспомогательными и используются только для изменения рабочего пространства при установочном ходе верхнего захвата. Нагружение образца произво­ дится от силового цилиндра дифференциального типа, поршень ко­ торого жестко связан с нижним активным захватом образца.

Более детально конструкция основных элементов гидравлических машин с электрогидравлическими распределителями и преобразова­ телями будет рассмотрена при ознакомлении с установками для испы­ таний на усталость. В заключение необходимо отметить, что при ис­ следовании трещиностойкости материалов и изучении особенностей их хрупкого разрушения, т. е. при проведении испытаний, результа­ ты которых в значительной степени зависят от уровня накопленной перед разрушением образца в системе образец — машина упругой энергии, целесообразно использовать системы замыкания и силовоз-