с ручным управлением. На другом конце шпинделя последовательно размещены датчик фазового положения 6 шпинделя и электродвигатель 7. Элементы 2, 5, 6, 7 образуют привод пассивного захвата.
Устройство нагружения представлено двумя соленоидными катушками (W
0 и W
u ) 8. Конструктивно катушки выполнены в виде единого блока (намотаны бифилярно – в два провода) на каркасе 9, который закреплен на основании установки винтами 10. Активный захват выполнен в виде магнитопроводного стержня 11, который с помощью подшипника 12 закреплен на консольном конце образца материала. Магнитопроводный стержень активного захвата входит нижним концом в центральное отверстие каркаса соленоидных катушек. Общая осевая линия магнитопроводного стержня и каркаса соленоидных катушек является направлением деформации образца материала.
Имеется источник тока 13 с несколькими выходами разных напряжений, который снабжен переключателем 14 режимов испытаний, в состав последнего входит коммутатор 15 катушек освобождения W
0 и привода W
u соленоида 8. Имеется измеритель перемещений 16 активного захвата, вход которого соединен с катушкой освобождения W
0, а выход подключен к первому входу фазоопределителя 17. Второй вход фазоопределителя соединен с датчиком фазового положения шпинделя. Режим автоколебательного нагружения образца материала реализуется с помощью схемы формирования импульсов привода 18.
Измеритель перемещений активного захвата выполнен по электрической принципиальной схеме рис. 4. Его работа основана на измерении индуктивности L
0 катушки W
0.
Индуктивность катушки тем выше, чем большая часть магнитопроводного стержня 11 охватывается полем катушки. Имеется контур тока в составе катушки W
0, резистора R1 и источника высокой частоты (десятки кГц) – один из выходов источника тока 13. Ток в этом контуре равен
где
– круговая частота напряжения U
17;
R1 – сопротивление резистора R1.
По закону Ома падение напряжения на резисторе R1 пропорционально току I. Далее это высокочастотное напряжение выпрямляется диодным мостом VD1 – VD4 и фильтруется П-образным фильтром нижних частот, составленным из резистора R2 и двух конденсаторов С1, С2.
В результате чем больше прогиб образца материала, тем ниже оказывается магнитопроводный стержень (ориентация чертежа рис. 1), соответственно больше индуктивность L
0 и меньше выходное напряжение U
16 измерителя перемещений активного захвата.
Датчик фазового положения шпинделя (рис 3.) генераторного типа. На валу шпинделя 2 соосно закреплена плоская звездочка 19 из магнитомягкого материала. Количество зубьев звездочки определяется требуемой точностью, примем для примера равным 16. Один из зубьев 20 имеет увеличенную ширину. Траектория концов зубьев проходит через зазор магнитной системы 21. Магнитная систем может быть выполнена литьем из магнитотвердого материала, либо составлена из постоянного магнита простой формы с полюсными наконечниками. На магнитной системе размещена обмотка 22. При вхождении зуба звездочки в зазор магнитной системы магнитная проводимость зазора начинает возрастать, а при выходе уменьшаться. В соответствии с законом электромагнитной индукции в обмотке датчика будет вырабатываться (индуцироваться) ЭДС. При вращении звездочки ЭДС будет представлять собой последовательность двуполярных импульсов, один из которых имеет увеличенную длительность (при прохождении зуба 20).
Фазоопределитель предназначен для определения фазового (углового) направления минимальной жесткости образца материала. Он построен на типовых функциональных элементах электроники. Входными информационными сигналами фазоопределителя являются напряжение U
16 измерителя перемещений активного захвата и последовательность импульсов U
6 датчика фазового положения шпинделя. Выходная информация отражается на индикаторе, который представляет собой линейку светодиодов по количеству зубьев звездочки датчика фазового положения шпинделя – в принятом выше примере n=16.
Входными сигналами фазоопределителя являются выходной импульсный сигнал U
6 датчика фазового положения шпинделя и выходной аналоговый сигнал U
16 измерителя перемещений активного захвата. Сигнал U
6 поступает на вход формирователя 23. Схемотехнически это может быть триггер Шмидта. На выходе формирователя 23 имеется последовательность прямоугольных импульсов одинаковой амплитуды, в которой каждый n-ый имеет увеличенную длительность, соответствующую зубу 20 звездочки 19 датчика фазового положения шпинделя. Выходной сигнал формирователя поступает на входы конъюнктора 24 сигнала измерителя перемещений активного захвата, счетчика 25 и селектора длительности 26. Конъюнктор 24 пропускает импульсы формирователя ограничивая их по амплитуде напряжением U
16 измерителя перемещений активного захвата. Далее селектор минимальной амплитуды 27 выделяет импульс минимальной амплитуды, на время действия которого на его выходе будет присутствовать логическая единица.
|
|
Рис. 3
|
Рис. 4
|
Счетчик 25 представляет собой линейку последовательно соединенных счетных триггеров. Для принятого примера n=16 линейка составит 4 триггера. Шину сброса образует выход селектора длительности 26. Этот селектор формирует короткий импульс по срезу (заднему фронту) импульса повышенной длительности с выхода формирователя 23.
Состояние счетчика 25 переводится в позиционный код дешифратором 28. Таким образом, если назвать импульс повышенной длительности нулевым (он соответствует широкому зубу звездочки датчика 6), то потенциал логической единицы на выходе дешифратора будет на той i-ой шине, которая соответствует порядковому i-му номеру зубьев звездочки. Этот цикл будет повторяться на каждом полном обороте шпинделя, соответственно и образца материала.
Управление индикаторными светодиодами 29 осуществляется единичным выходом RS-триггеров 30. Установка каждого триггера 30 в единичное состояние (S-входы) обеспечивается «своим» конъюнктором 31. Первые входы конъюнкторов 31 подключены к выходу селектора минимальной амплитуды 27, а вторые - к соответствующим выходным шинам дешифратора 28. Установка триггеров 30 в исходное состояние (входы R) осуществляется по общей шине сброса импульсом с выхода селектора длительности 26. Конъюнкторы 31, RS-триггеры 30 и светодиоды 29 образуют индикаторный блок.
Таким образом, фазоопределитель работает циклически, один цикл соответствует одному обороту шпинделя. Если в пределах оборота прогиб образца материала будет изменяться, то на индикаторе 29 высветится тот светодиод, который укажет номер зуба звездочки датчика фазового положения, соответствующий направлению (плоскости) минимальной жесткости образца материала.
Схема формирования импульсов привода (рис. 2) предназначена для обеспечения автоколебательного режима нагружения. Она построена по обычному для электромагнитных приводов варианту. СФИП управляется электрическим сигналом катушки W
0 соленоида 8 (см. рис. 1). Схема формирует короткий импульс тока в катушку W
u. Каскад на транзисторе VT3 функционально представляет собой электронный ключ, а каскады на транзисторах VT1, VT2 являются усилителем-формирователем. Исходное состояние схемы по постоянному току: транзистор VT1 находится в режиме отсечки за счет запирающего стержня Е
см. Транзистор VT2 открыт – цепь смещения резистор R4, а ключевой транзистор VT3 закрыт нулевым смещением через резистор R6. Каскады по постоянному току разделены конденсаторами С1-С3. В исходном состоянии через катушку W
0 протекает небольшой ток источника Е (подмагничивающий ток) через ограничительный резистор R1, ток катушки W
u близок к нулю, так как транзистор VT3 закрыт.
При включении питания источника 13 фронт напряжения обеспечит импульсы тока в катушках W
0 и W
u. В силу неравенства этих токов взаимодействие магнитных полей катушек с магнитопроводным стержнем 11 создаст импульс силы, который подтолкнет активный захват , что обеспечит начало колебаний. При колебаниях в катушке освобождения W
0 будет индуцироваться ЭДС пропорциональная подмагничивающему току и скорости магнитопроводного стержня. При достижении ЭДС уровня смещения Е
мс транзистор VT1 откроется, а закроется на спаде ЭДС на том же уровне. Усиленный каскадом на транзисторе VT2 полученный импульс откроет ключевой транзистор VT3 и через катушку W
u пройдет импульс тока. Магнитное поле катушки W
u обеспечит подталкивающий механический импульс на магнитопроводный стержень 11. Энергия этого импульса компенсирует потери энергии при колебаниях, обеспечивая стационарный автоколебательный режим.
Рассматриваемая установка позволяет реализовать два режима испытаний. Режим 1 – режим вынужденных колебаний, когда образец материала вращается за пассивный захват, а к активному захвату приложена постоянная поперечная сила. Режим 2 – режим автоколебаний. Для ускорения времени испытаний и повышения удобства изучения состояния образца материала в процессе испытаний целесообразно эти режимы использовать последовательно.
Режим 1. Переключатель режимов испытаний 14 источника тока устанавливают в положение «Режим 1». При этом контакты коммутатора 15 окажутся в положении фиг. 1, то есть контакты S
01 и S
u1 замкнуты, а а контакты S
02 и S
u2 разомкнуты. В этом режиме от источника тока 13 подается электропитание на электровигатель 7, измеритель перемещений 16 активного захвата, фазоопределитель 17 и по ширине питания U
u1 величиной тока задается постоянная сила, втягивающая магнитопроводный стержень 11 в соленоид 8. Эта сила обеспечивает изгиб образца материала 4. В процессе такого нагружения в конечном счете в образце материала начинает появляться микротрещина. С появлением микротрещины нарушается симметрия жесткости образца материала. На фазе поворота образца материала, когда микротрещина окажется в зоне растянутых волокон она раскрывается, а когда в зоне сжатых – схлапывается. Направление на микротрещину , т.е. плоскость минимальной жесткости в этой установке показывает индикатор фазоопределителя 17. При появлении немметрии жесткости на каждом обороте шпинделя будет будет выявляться номер зуба звездочки датчика 6 фазового положения шпинделя, следовательно оператор будет наблюдать мерцающий свет соответствующего номера светодиодного индикатора 29 фазоопределителя 17. После этого отключают электропитание двигателя 7 (или всей установки), поворачивают шпиндель 2 в положение, когда зуб звездочки 19, номер которого отмечен на индикаторе, параллельно осевой линии магнитопроводного стержня 11, затем стопорят это положение шпинделя (и пассивного захвата) фиксатором 5. При такой ориентации микротрещина окажется на верхней части образца материала, что обеспечит хороший обзор при ее изучении.
После ориентации образца материала и фиксации пассивного захвата переключатель режимов 14 источника тока 13 устанавливают в положение «Режим 2». При этом замыкаются контакты S
02, S
u2 (соответственно размыкаются S
01, S
u1) за счет чего подключается к соленоидным катушкам 8 схема формирования импульсов привода (СФИП), которая обеспечивает автоколебательный режим нагружения образца материала. Источник тока 13 снабжает СФИП (рис. 2) уровнями напряжений Е и Е
см. В этом режиме другие функциональные блоки установки обесточены.
Процесс испытаний ведут в соответствии с принятой программой, измеряя время работы в автоколебательном режиме или количество циклов нагружения. Во втором случае ведут подсчет импульсов с катушки привода W
u. Установка позволяет периодически останавливать автоколебания отключением питания СФИП с целью изучения процесса развития микротрещины.
Таким образом предлагаемая установка для испытаний материалов на усталость позволяет проводить испытания в двух режимах, за счет ориентации образца материала по плоскости минимальной жесткости обеспечивается сокращение времени испытаний до момента разрушения образца. На втором этапе испытаний (автоколебательный режим) зарождающаяся микротрещина в образце материала всегда находится в верхней части образца, что расширяет возможности изучения процесса ее развития. Конструктивно установка проста, в ней использованы типовые узлы электроники.
