Технические науки 2. Механика

Трясучев Л.М., Клочко В.А.

ГП «КБ «Южное»

Комбинированное рычажное устройство
для испытаний на растяжение – сжатие.

При проведении испытаний изделий на растяжение – сжатие нередко возникает необходимость получения больших усилий или больших перемещений на испытуемом объекте, чем может обеспечить имеющийся на предприятии парк испытательных машин или силовозбудителей (СВ). К таким особым испытуемым объектам относятся амортизаторы, сильфоны, компенсаторы и другие технические детали, и узлы, обладающие переменной жесткостью, повышенной деформативностью или большим ходом подвижных частей. Часто указанную проблему решают применением при испытаниях рычагов I или II рода.

В данной работе приводится схема, конструктивное описание и предварительный расчет действующих сил и возможных перемещений комбинированного рычажного устройства (КРУ) для испытаний на растяжение – сжатие на основе новой схемы соединения рычагов II рода, описанной в работе [1]. Схема известного устройства приведена на рисунке 1. Устройство для испытаний на растяжение-сжатие состоит из двух рам 1, 2, являющихся боковыми гранями объемного параллелепипеда и составленных из спаренных рычагов II рода 3, шарнирно-сопряженных по ребру 4 и соединенных тягами 5 в замкнутую фигуру параллелепипеда. Тяги 5 соединены с рамами 1, 2 при помощи шарниров 6, 7, 8, 9, а рамы по оси ребра сопряжения 4 закреплены на основании 10 и имеют внутренние продольные направляющие 11, 12, по которым могут перемещаться поперечины-опоры 13, 14. Расположение поперечин-опор во внутренней части рам позволяет увеличить усилие нагружения объекта испытания сравнительно с усилием, развиваемым силовозбудителем. Расположение поперечин-опор на выступающей консольной части рам позволяет пропорционально увеличить изменяемое расстояние между поперечинами-опорами сравнительно с ходом силовозбудителя. На оси ребра 15 параллелепипеда, противоположного ребру сопряжения 4 рам 1, 2, закреплен шток силовозбудителя 16, установленного на общем основании (не показано).

В процессе разработки реальной конструкции КРУ проведены следующие изменения и упрощения в схеме устройства [1], которые дали дополнительные преимущества и усилили положительные качества этого устройства. Схема доработанного КРУ приведена на рис.2. Силовозбудитель – СВ, например силовой гидроцилиндр, перенесен внутрь параллелепипеда на вертикальную его диагональ, что позволило применить в устройстве принцип «самонесущей конструкции». Силовозбудитель действует непосредственно на рычажные силовые рамы, поэтому изменилось и назначение соединительных тяг: из силовых, передававших усилие от силовозбудителя к силовым рамам, они превратились в облегченные, служащие для поддерживания конструкции. В результате изменился характер несущих опор устройства: из класса фундаментных, силовых, требующих больших затрат на изготовление, они перешли в класс облегченных, поддерживающих, что естественно уменьшает затраты на изготовление устройства и придает устройству свойство мобильности. Убраны внутренние продольные направляющие, дублировавшие силовые рамы, а подвижные поперечены-опоры перенесены на рычаги силовых рам, которым возможно придать форму балок «равного сопротивления». Для упрощения устройства сложный механизм с электроприводом плавного перемещения подвижных поперечин-опор по направляющим, заменен на шаговую установку поперечин-опор в упорных местах на рычагах силовых рам. Путем перемещения штока силовозбудителя,  изменяя угол между рычагами силовых рам, возможно проводить установочный монтаж испытуемых объектов на поперечинах-опорах.

 

 

Максимальный угол разведения рычагов и, соответственно, максимальный «ход» испытуемого объекта на растяжение ограничен ходом штока силовозбудителя или возможным упором испытуемого объекта в силовозбудитель (рис.2). Минимальный угол раскрытия рычагов обусловлен габаритами силовозбудителя.

Исходя из технических требований испытаний конкретных объектов возможно и дальнейшее упрощение схемы устройства, вплоть до двух рычагов, соединенных тягами в геометрическую фигуру ромба с консолями, которую и будем рассматривать при проведении предварительного расчета.

Упрощенная расчетная схема устройства приведена на рис. 3,а. Благодаря наличию осевой горизонтальной направляющей штанги, сведение рычагов или их разведение – «раскрытие или закрытие» устройства под действием силовозбудителя происходит равномерно по его оси. Поэтому является правомерным производить расчет максимального «раскрытия или закрытия» и распределения усилий по длине рычагов устройства первоначально для одного рычага, а затем результат увеличить в два раза.

Окончательная расчетная схема одного рычага, составляющего половину устройства, приведена на рис.3,б и представляет собой прямоугольный треугольник с углом α, являющимся половиной угла между рычагами устройства, а гипотенузой треугольника является один из рычагов. Величина вертикального перемещения места закрепления испытуемого объекта на рычаге определяется по теореме подобия треугольников и соотношения катетов, находящихся против углов αI и αII, являющихся половинами длин силовозбудителя hсв и испытуемого объекта Ноб, к длине рычага  от его оси О до силовозбудителя и длине рычага  до места закрепления испытуемого объекта соответственно.

 

После монтажа испытуемого объекта в КРУ верхний рычаг устройства занимает положение I (рис.3,б), где ½ hсв – половина длины силовозбудителя, а ½ Ноб – половина длины испытуемого объекта.

Положение I определяется углом αI:

В конце проведенного испытания, например, «растяжения» рычаг занимает положение II (см. рис. 3.б), которое определяется углом :

где:  – равно половине «хода» силовозбудителя,

      – равно половине «хода» испытуемого объекта.

Полученное соотношение перемещений одного рычага увеличиваем в 2 раза для расчета полного перемещения КРУ:

Имеем:

После проведения необходимых преобразований получаем формулу отношения длин рычагов в зависимости от габаритных размеров испытуемого объекта, силовозбудителя и их «ходов»:

где:  – равно «ходу» испытуемого объекта,

   – равно «ходу» силовозбудителя.

Принципиальные эпюры распределения действующих сил по длине рычага, рассчитываемых по правилу рычага F·l=f·L, приведены на рис. 3,в. При испытании на растяжение сила F действия СВ на плече длиной  от оси рычага О, направлена вверх и создаваемый ею момент F· относительно оси рычага О противоположен моменту силы f· , прикладываемой к объекту испытаний. При испытании на сжатие силы меняют свое направление [2]. Следуя физическому принципу «действие равно противодействию» каждый рычаг воспринимает полное усилие от силовозбудителя в месте его закрепления на рычаге, а испытуемый объект воспринимает полное усилие нагружения в местах своего закрепления. При проведении проектного расчета на прочность всей конструкции устройства необходимо учитывать, что действующие на рычаг силы – сила F силовозбудителя и сила действия на объект испытания f являются равнодействующими силами и в местах их приложения раскладываются на составляющие силы, приложенные к элементам устройства и объекту испытаний.

Разработанное КРУ позволяет испытывать объекты с закреплением, имитирующим реальное приложение сил к испытуемому объекту в работающей машине. Указанная особенность расширяет положительный эффект КРУ.

По требованиям технических условий и инструкций при испытаниях самолетных амортизаторов, компенсаторов и других узлов специальной техники необходимо поддержание постоянной скорости нагружения объекта испытаний за весь цикл испытаний. Для измерения усилий нагружения и обеспечения постоянной скорости нагружения испытуемых объектов, КРУ оборудовано датчиком усилий ДУ (см. рис 2) и датчиком перемещений ДП, имеющими выход на ПК и соединенных электрической связью с управляющим блоком силовозбудителя с задатчиками режимов для автоматизации процесса нагружения.

Предлагаемая конструкция рычажного устройства имеет общетехническое назначение и может найти применение в механических системах управления и исполнительных механизмах, когда необходимо получить большее перемещение или усилие по сравнению с ходом или усилием имеющегося силовозбудителя, без увеличения габаритов устройства и прилагаемых усилий.

 

 

Литература:

1.     Патент України на корисну модель № 33345 «Пристрій для випробування на розтяг-стиск». Винахідники Клочко В.А., Трясучев Л.М. и др.. «УКРПАТЕНТ» Бюл. №12, 2008р.

2.     Элементарный учебник физики. Под редакцией Г.С. Ландсберга. Т.1. 1985 г. Стр. 606.