Номер публикации патента: 2089875

ОБРАЗЕЦ ДЛЯ УСТАЛОСТНЫХ ИСПЫТАНИЙ ПРИ СЛОЖНОМ НАПРЯЖЕННОМ СОСТОЯНИИ И СПОСОБ УСТАЛОСТНЫХ ИСПЫТАНИЙ ОБРАЗЦА ПРИ СЛОЖНОМ НАПРЯЖЕННОМ СОСТОЯНИИ

Суть изобретения:используют образец, состоящий из двух элементов: наружного трубчатого 1 и внутреннего 2, при этом первый имитирует изделие, а второй служит фиксатором нагруженного состояния первого. Наружный трубчатый элемент 1 имеет возможность осевого перемещения относительно внутреннего 2 благодаря зубчатым или шпоночным соединениям 6 и 7 с опорными элементами 14 и 15 их зажимов 4 и 5. Нагруженный статическим крутящим моментом образец при испытаниях на усталость при непрерывном вращении подвергают одновременно циклическому изгибу и нагрузкам на растяжение или сжатие. Усталостные характеристики определяют с учетом влияния усталостных характеристик внутреннего элемента 2, выполненного из материала с известной более высокой крутильной жесткостью по сравнению с материалом, из которого выполняют наружный трубчатый элемент 1. 2 с.п. ф-лы, 4 ил.

Номер патента:2089875

Класс(ы) патента: G01N3/32

Номер заявки:92006836/28

Дата подачи заявки:17.11.1992

Дата публикации: 10.09.1997

Заявитель(и): Центральный научно-исследовательский институт специального машиностроения

Автор(ы): Протасов В.Д.; Казаев О.И.; Лихов Е.С.; Манин В.М.; Черниченко В.А. Патентообладатель(и): Центральный научно-исследовательский институт специального машиностроения

Описание изобретения:Изобретения относятся к испытательной технике, а именно к образцам и способам их испытаний на усталость при сложном напряженном состоянии. Известен образец, выбранный в качестве прототипа, предназначенный для усталостных испытаний на изгиб с кручением [1] Образец содержит установленные коаксиально с возможностью закручивания друг относительно друга наружный трубчатый и внутренний элементы и соединенные с их концами зажимы. Известен способ усталостных испытаний образцов при сложном напряженном состоянии, выбранный в качестве прототипа [1] Известный способ заключается в выполнении образца из коаксиально установленных наружного трубчатого и внутреннего элементов, концы которых соединены посредством зажимов, воздействии на него одновременно статическим крутящим моментом и циклическим изгибным усилием и определении его усталостных характеристик. Напряженное состояние натурных изделий типа валопроводов определяется совокупностью следующих силовых факторов: изгибающего момента, крутящего момента, перерезывающей силы, усилия растяжения или сжатия. Известные образец и способ, выбранные в качестве прототипов, позволяют получать усталостные характеристики материала конструкции лишь для совокупности первых трех силовых факторов. Задачей, на решение которой направлены изобретения, является разработка образца и способа проведения усталостного испытания при комбинированном нагружении на циклический изгиб, кручение и растяжение или сжатие, с возможностью имитации сложного напряженного состояния натурного изделия. Техническим результатом, который может быть получен при осуществлении изобретений, является моделирование всех факторов напряженного состояния натурного изделия, повышение достоверности получаемых усталостных характеристик образца. Поставленная задача достигается тем, что известный образец для усталостных испытаний при сложном напряженном состоянии, содержащий установленные коаксиально с возможностью закручивания друг относительно друга наружный трубчатый и внутренний элементы и соединенные с их концами зажимы, снабжен нагрузочным кольцом, установленным через слой антифрикционного материала с возможностью поворота на наружном трубчатом элементе, наружный трубчатый и внутренний элементы установлены с возможностью осевого перемещения друг относительно друга, соединение между последними и зажимами выполнено зубчатым или шпоночным, один из зажимов выполнен разъемным со средствами фиксации относительного положения его частей, разъем которых расположен в плоскости, перпендикулярной продольной оси симметрии образца, при этом крутильная жесткость наружного трубчатого элемента меньше крутильной жесткости внутреннего элемента. В способе усталостных испытаний образца при сложном напряженном состоянии, заключающемся в выполнении образца из коаксиально установленных наружного трубчатого и внутреннего элементов, концы которых соединены посредством зажимов, воздействии на него одновременно статическим крутящим моментом, циклическим изгибным усилием и определении его усталостных характеристик, образец выполняют с кольцом на наружном трубчатом элементе, статическим крутящим моментом нагружают посредством закручивания внутреннего элемента и фиксации его в этом положении относительно наружного трубчатого элемента, циклическим изгибным усилием воздействуют посредством кольца, и дополнительно, одновременно со всеми операциями на образец через зажимы воздействуют осевым усилием и вращением. Новыми и отличительными признаками образца для усталостных испытаний при сложном напряженном состоянии являются следующие: снабжение его нагрузочным кольцом, установленным через слой антифрикционного материала с возможностью поворота на наружном трубчатом элементе, установка наружного трубчатого и внутреннего элементов с возможностью осевого перемещения друг относительно друга, выполнение соединения между зажимами и наружным трубчатым и внутренним элементами зубчатым или шпоночным, выполнение одного из зажимов разъемным со средствами фиксации относительного положения его частей, расположение разъема частей разъемного зажима в плоскости, перпендикулярной продольной оси симметрии образца, выполнение наружного трубчатого элемента с крутильной жесткостью, меньшей крутильной жесткости внутреннего элемента. Новыми и отличительными признаками способа усталостных испытаний образца при сложном напряженном состоянии являются следующие: выполнение образца с кольцом на наружном трубчатом элементе, нагружение образца статическим крутящим моментом посредством закручивания внутреннего элемента и фиксации его в этом положении относительно наружного трубчатого элемента, воздействие циклическим изгибным усилием на образец посредством кольца, дополнительное, одновременное со всеми операциями воздействие на образец через зажимы осевым усилием и вращением. На фиг.1 представлен общий вид образца в продольном разрезе, на фиг.2-4 его поперечное сечение по А-А, Б-Б и В-В. Образец для усталостных испытаний при сложном напряженном состоянии состоит из наружного трубчатого элемента 1, внутреннего элемента 2, нагрузочного кольца 3 и соединенных с концами наружного трубчатого и внутреннего элементов 1 и 2 зажимов 4 и 5. Наружный трубчатый элемент 1 и внутренний элемент 2 установлены коаксиально с возможностью закручивания друг относительно друга. Зажимы 4 и 5 связаны зубчатыми или шпоночными соединениями 6 и 7, обеспечивающими осевое перемещение наружного трубчатого 1 и внутреннего 2 элементов друг относительно друга. Один из зажимов, например зажим 5, выполнен с разъемом 8, расположенным в плоскости, перпендикулярной оси симметрии образца, обеспечивающим возможность разворота зажима 5 относительно зажима 4 и фиксацию частей зажима 5 в заданном положении с помощью фиксаторов 9. Нагрузочное кольцо 3 устанавливают на наружном трубчатом элементе 1 через слой 10 антифрикционного материала, например через фторопластовую пленку или слой антиадгезионной смазки типа фторопластовой эмульсии, с возможностью поворота на наружном трубчатом элементе. Внутренний элемент 2 выполняют из материала с известной (калиброванной) крутильной жесткостью, например из высокопрочной стали. Наружный трубчатый элемент 1 выполняют из материала с меньшей крутильной жесткостью, например из композиционного материала на основе волокнистого армирующего материала и полимерного связующего. Способ усталостных испытаний образца при сложном напряженном состоянии заключается в следующем. На наружный трубчатый элемент 1 устанавливают нагрузочное кольцо 3 через слой 10 фторопластовой пленки для обеспечения возможности вращения в нем образца. Затем наружный трубчатый элемент 1 устанавливают в зажимах 4 и 5, закрепляют сегментными вкладышами 11 и резьбовыми элементами 12 при неустановленных фиксаторах 9 и через центральный канал 13, выполненный в опорном элементе 14 зажима 5, устанавливают коаксиально наружному трубчатому элементу 1 внутренний элемент 2, закрепляя его зубчатыми соединениями 6 и 7 с опорным элементом 14 зажима 5 и опорным элементом 15 зажима 4. Для обеспечения сборки зажим 4 с опорным элементом 15 имеет возможность возвратно-поступательного осевого перемещения, а при испытаниях наружный трубчатый элемент 1 с зажимами 4 и 5 имеет возможность осевого перемещения относительно внутреннего элемента 2 благодаря зубчатым соединениям 6 и 7 с опорными элементами 14 и 15, при этом опорный элемент 14 с зажимом 5 и опорный элемент 15 с зажимом 4 размещаются соответственно в неподвижных обоймах 16 и 17 испытательного устройства. Для восприятия осевых нагрузок опорный элемент 14 зажима 5 имеет кольцевые буртики 18, обеспечивающие упор опорного элемента 14 зажима 5 в неподвижную обойму 17. Опорные элементы 14 и 15 зажимов 5 и 4 выполнены с возможностью вращения в неподвижных обоймах 16 и 17. Фиксируют опорный элемент 14 относительно обоймы 17 в неподвижном положении, исключающем его кольцевой поворот (условно не показано). Затем поворотом зажима 5 при его отсоединенном опорном элементе 14 нагружают наружный трубчатый элемент 1 фиксированным статическим крутящим моментом на заданный угол упругой закрутки, который благодаря зубчатому соединению 6 опорного элемента 15 его зажима 4 упруго закручивает внутренний элемент 2. Фиксируют положение закрутки посредством соединения фиксаторами 9 зажима 5 с его опорным элементом 14. Снимают внешнюю фиксацию опорного элемента 14 от проворота. Наружный трубчатый элемент 1 вследствие более высокой крутильной жесткости внутреннего элемента 2 после снятия фиксации опорного элемента 14 от проворота находится под постоянной нагрузкой реактивного статического крутящего момента. Нагруженный статическим крутящим моментом образец испытывают на усталость комбинированным нагружением на циклический изгиб и сжатие (или растяжение) при непрерывном его вращении, при этом сложное напряженное состояние задают только наружному трубчатому элементу 1 приложением поперечной нагрузки к его рабочей части через размещенное на нем кольцо 3 и нагрузки на сжатие (растяжение), приложенной к зажимам 4 и 5. Таким образом проводят испытания образцов на усталость. Усталостные характеристики наружного трубчатого элемента 1 определяют с учетом влияния известной калиброванной зависимости усталостных характеристик материала внутреннего элемента 2. Таким образом, предложенные образец и способ обеспечивают возможность проведения испытаний с широким спектром нагрузок, с моделированием всех силовых факторов напряженного состояния натурного изделия, позволяют уменьшить затраты на проведение испытаний и отработку натурных изделий.

Формула изобретения: 1. Образец для усталостных испытаний при сложном напряженном состоянии, содержащий установленные коаксиально с возможностью закручивания друг относительно друга наружный трубчатый и внутренний элементы и соединенные с их концами зажимы, отличающийся тем, что он снабжен нагрузочным кольцом, установленным через слой антифрикционного материала с возможностью поворота на наружном трубчатом элементе, наружный трубчатый и внутренний элементы установлены также с возможностью осевого перемещения друг относительно друга, соединение между последними и зажимами выполнено зубчатым или шпоночным, один из зажимов выполнен разъемным со средствами фиксации относительного положения его частей, разъем которых расположен в плоскости, перпендикулярной продольной оси симметрии образца, при этом крутильная жесткость наружного трубчатого элемента меньше крутильной жесткости внутреннего элемента. 2. Способ усталостных испытаний образца при сложном напряженном состоянии, заключающийся в выполнении образца из коаксиально установленных наружного трубчатого и внутреннего элементов, концы которых соединены посредством зажимов, воздействии на него одновременно статическим крутящим моментом, циклическим изгибным усилием и определении его усталостных характеристик, отличающийся тем, что образец выполняют с кольцом на наружном трубчатом элементе, статическим крутящим моментом нагружают посредством закручивания внутреннего элемента и фиксации его в этом положении относительно наружного трубчатого элемента, циклическим изгибным усилием воздействуют посредством кольца и дополнительно одновременно со всеми операциями на образец через зажимы воздействуют осевым усилием и вращением.

Номер публикации патента: 2196313

СПОСОБ ДИНАМИЧЕСКИХ ИСПЫТАНИЙ ЛОПАСТЕЙ РУЛЕВОГО ВИНТА ВЕРТОЛЁТА НА УСТАЛОСТНУЮ ПРОЧНОСТЬ

Суть изобретения:Изобретение относится к области испытаний конструкций и устройств и может быть использовано для динамических испытаний рулевых винтов вертолетов на резонансных стендах с возбуждением, например, от механических вибраторов. Динамические испытания лопастей на усталостную прочность осуществляют на образце рулевого винта путем приложения продольной растягивающей силы заданной величины с эксцентриситетом относительно главных центральных осей поперечных сечений и переменных изгибающих моментов посредством возбуждения собственных изгибных колебаний и по числу колебаний, выполненных до разрушения образца, оценивают усталостную прочность конструкции, причем образец устанавливают с поворотом вокруг его продольной оси под углом, обеспечивающим требуемые величины переменных изгибающих моментов как в плоскости вращения, так и в плоскости тяги. Технический результат - повышение достоверности результатов испытаний образца рулевого винта путем создания в нем внешних нагрузок, близких к условиям, которые испытывает рулевой винт при работе на вертолете. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

Номер патента:2196313

Класс(ы) патента:G01M5/00, G01M7/06, G01N3/32

Номер заявки:2001111237/28

Дата подачи заявки:12.04.2001

Дата публикации: 10.01.2003

Заявитель(и): Огородов Владимир Васильевич Автор(ы): Нетфуллов Ф.Х.; Огородов В.В.; Шувалов В.А.; Дворянкин А.В.

Патентообладатель(и):Открытое акционерное общество "Казанский вертолётный завод"

Описание изобретения: Изобретение относится к области испытаний конструкций и устройств и может быть использовано для динамических испытаний рулевых винтов вертолетов на резонансных стендах с возбуждением, например, от механических вибраторов. Известен способ динамических испытаний образцов лопастей несущего и рулевого винтов вертолета на усталостную прочность, заключающийся в закреплении образца лопасти и создании в нем постоянной нагрузки путем приложения продольной растягивающей силы заданной величины и переменных изгибающих моментов посредством возбуждения собственных изгибных колебаний, при этом испытания ведут до разрушения образца, а по полученным результатам оценивают усталостную прочность конструкции (кн. М.Л. Миль, А.В. Некрасов, А. С. Браверман, Л.Н. Гродко и М.А. Лейканд. Вертолеты. Расчет и проектирование. Книга 2. Колебания и динамическая прочность. Под ред. д-ра техн. наук М. Л. Миля. - М.: Машиностроение, 1967, стр.158). Данный способ принят за прототип. Недостатком известного способа, принятого за прототип, является малое количество и сложность нагрузок, прикладываемых к образцу при его испытаниях. Это приводит к тому, что на каждый вид внешних переменных нагрузок, например переменный изгибающий момент, действующий в плоскости, проходящей через вектор тяги и продольную ось образца, переменный изгибающий момент в плоскости вращения необходимо испытывать на определенном числе образцов с последующим приведением их результатов к единой величине так называемого срока службы по условиям выносливости. Это приведение выполняют расчетным путем на основании материалов испытаний с привлечением рекомендованных гипотез-предположений о взаимном влиянии различных видов нагрузок, которые вносят в величину расчетного срока службы свои погрешности. Основной задачей, на решение которой направлен заявляемый способ динамических испытаний лопастей рулевого винта вертолета на усталостную прочность, является повышение сложности внешних нагрузок, прикладываемых к испытуемому образцу, и приближение их к условиям эксплуатации винта на вертолете, тем самым сократив количество образцов, подвергаемых испытаниям, и сроки их проведения. Техническим результатом, достигаемым при осуществлении заявленного способа динамических испытаний образцов рулевого винта вертолета на усталостную прочность, является повышение достоверности результатов испытаний образца рулевого винта путем создания в нем внешних нагрузок, близких к условиям, которые испытывает рулевой винт при работе на вертолете. Указанный технический результат достигается тем, что в известном способе динамических испытаний лопастей рулевого винта вертолета на усталостную прочность, заключающемся в закреплении образца лопасти и создании в нем постоянной нагрузки путем приложения продольной растягивающей силы заданной величины и переменных изгибающих моментов посредством возбуждения собственных изгибных колебаний, при этом испытания ведут до разрушения образца, а по полученным результатам оценивают усталостную прочность конструкции, согласно предложенному техническому решению испытанию подвергают образец рулевого винта, состоящего из двух лопастей, последние комлевой частью соединены стыковочным узлом, например ступицей рулевого винта, а продольную растягивающую силу прикладывают к концам обеих лопастей, при этом образец устанавливают с поворотом вокруг его продольной оси под углом, обеспечивающим требуемые величины переменных изгибающих моментов как в плоскости вращения, так и в плоскости, проходящей через вектор тяги и продольную ось рулевого винта при динамических испытаниях образца; что в образце создают дополнительные скручивающие моменты, для чего к стыковочному узлу на расстоянии от него закрепляют груз и посредством изменения массы груза и расстояния его от узла регулируют величину переменного скручивающего момента при динамических испытаниях образца; что в образце дополнительно создают постоянные изгибающие моменты в плоскости вращения и в плоскости, проходящей через вектор тяги и продольную ось винта, для чего продольную растягивающую силу прикладывают к закрепленным концам лопастей с эксцентриситетом относительно главных центральных осей их поперечных сечений, обеспечивающим заданные величины изгибных нагрузок. Проведенный заявителем анализ уровня техники позволил установить, что аналоги, характеризующиеся совокупностями признаков, тождественными всем признакам заявленного способа, отсутствуют. Следовательно, заявленное техническое решение соответствует условию патентоспособности "новизна". Результаты поиска известных решений в данной области техники с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявляемого технического решения, показали, что оно не следует явным образом из уровня техники. Из определенного заявителем уровня техники не выявлена известность влияния предусматриваемых существенными признаками из заявляемого технического решения преобразований на достижение указанного технического результата. Следовательно, заявляемое техническое решение соответствует условию патентоспособности "изобретательский уровень". На фиг. 1 схематически показан рулевой винт вертолета с векторами наиболее значимых компонентов внешних эксплуатационных нагрузок; на фиг.2 - схема приложения растягивающей силы к концу лопасти; на фиг.3 - схема динамических испытаний образцов рулевого винта предлагаемым способом. Способ динамических испытаний образца рулевого винта вертолета на усталостную прочность осуществляют следующим образом. Образец рулевого винта, состоящий из стыковочного узла 1 и двух лопастей 2, подвергают испытаниям на усталостную прочность под воздействием наиболее значимых компонентов внешних эксплуатационных нагрузок: центробежной силы скручивающего моментаизгибающих моментов, действующих в плоскости вращенияи в плоскости тяги(фиг.1). Растягивающую силу, равнуюприкладывают к концам лопастей с эксцентриситетами l_xи l_уотносительно главных центральных осей ОХ и ОУ поперечного сечения лопасти (фиг.2). Образец рулевого винта поворачивают осями ОХ и ОУ поперечных сечений лопастей 2 относительно плоскости вращения на угол α. Величины эксцентриситетов l_xи l_уподбирают путем смещения точки приложения силыотносительно продольной оси 3 (OZ) образца до получения постоянных составляющих изгибающих моментовтребуемой величины (фиг. 3). Груз 4, массой m, закрепляют на стыковочном узле 1 с выносом на расстояние b. Затем на конце лопасти 2 вибратором создают знакопеременную силутем самым вызывают в образце рулевого винта собственные свободные изгибные колебания (линии прогибов продольной оси 3 колеблющегося образца показаны пунктирными линиями), последние за счет поворота его на угол α путем разложения совершаются одновременно как в плоскости тяги, так и в плоскости вращения рулевого винта, а колеблющийся вместе со стыковочным узлом 1 груз 4 вызывает знакопеременную силу, которая на выносе b создает знакопеременный скручивающий моментвоздействующий на образец рулевого винта. Испытания ведут до разрушения образца, а по полученному числу выполненных колебаний оценивают усталостную прочность конструкции. Пример осуществления предложенного способа. Рулевой винт, состоящий из ступицы 1 и двух лопастей 2, подвергали испытаниям на усталостную прочность по наиболее значимым компонентам внешних, эксплуатационных нагрузок. Для этого образец рулевого винта с помощью специальных захватов на концах лопастей 2 закрепили в узлах испытательного стенда и задали растягивающую силуСмещая захваты образца и связанные с ними главные центральные оси ОХ и ОУ относительно установочных узлов, определяющих положение растягивающей силыи развернув образец рулевого винта вокруг его продольной оси 3 на угол α=17^o, получили требуемые величины постоянных изгибающих моментов. Груз 4 массой m= 0,25 кг закрепили на ступице 1 с выносом его центра масс на расстояние b= 190 мм, что соответствует его статическому массовому моментуЗатем вибратором, встроенным в установочный узел стенда, в который закреплен конец лопасти 2, создали знакопеременную силувызывающую свободные изгибно-крутильные колебания образца рулевого винта. Сочетание изгибных жесткостей образца, его масс с учетом массы груза 4, а также величина растягивающей силыполучили частоту собственных колебаний, равную 16 герц. При создании амплитуды колебаний, равной 21 мм, получили переменные изгибающие моменты, приложенные к образцу в плоскости тяги и плоскости вращения винта, равныесоответственно. Амплитуде собственных колебаний, равной 21 мм, при частоте 16 герц соответствует знакопеременное ускорение, воздействующее на массу груза 4, равное 210 м/с². При таком ускорении статический массовый моментсоздает переменный скручивающий моментПри указанных статических и динамических нагрузках, заданных образцу рулевого винта, были проведены испытания образца на усталостную прочность. Испытания вели до разрушения образца и по полученному числу выполненных колебаний оценили усталостную прочность конструкции рулевого винта. Динамические испытания лопастей рулевого винта вертолета на усталостную прочность предложенным способом позволили значительно повысить достоверность и полноту результатов испытаний, сократить количество образцов и сроки испытаний в 2-3 раза.

Формула изобретения: 1. Способ динамических испытаний лопастей рулевого винта вертолета на усталостную прочность, заключающийся в закреплении образца лопасти и создании в нем постоянной нагрузки путем приложения продольной растягивающей силы заданной величины и переменного изгибающего момента посредством возбуждения собственных изгибных колебаний, при этом испытания ведут до разрушения образца, а по полученным результатам оценивают усталостную прочность конструкции, отличающийся тем, что испытанию подвергают образец рулевого винта, состоящего из двух лопастей, последние комлевой частью соединены стыковочным узлом, например ступицей рулевого винта, а продольную растягивающую силу прикладывают к концам обеих лопастей, при этом образец устанавливают с поворотом вокруг его продольной оси под углом, обеспечивающим требуемые величины переменных изгибающих моментов как в плоскости вращения, так и в плоскости, проходящей через вектор тяги и продольную ось рулевого винта при динамических испытаниях образца. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в образце создают дополнительные скручивающие моменты, для чего к стыковочному узлу на расстоянии от него закрепляют груз и посредством изменения массы груза и расстояния его от узла регулируют величину переменного скручивающего момента при динамических испытаниях образца. 3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в образце дополнительно создают постоянные изгибающие моменты в плоскости вращения и в плоскости, проходящей через вектор тяги и продольную ось винта, для чего продольную растягивающую силу прикладывают к закрепленным концам лопастей с эксцентриситетом относительно главных центральных осей их поперечных сечений, обеспечивающим заданные величины изгибных нагрузок.