3. Маятниковые, ротационные и вертикальные копры

Следовательно, положение центра удара можно определить, зная период одного полного колебания маятника и рассчитав 1Цпо формуле (IV .2).

Для получения воспроизводимых значений ударной вязкости, которая является качественной сравнительной характеристикой склонности материала к хрупкому разрушению, при подготовке копра к испытаниям необходимо обеспечить выполнение ряда методических требований. Тал, необходимо обеспечить совпадение рабочей кромки ножа с продольной осью маятника. При свободно висящем маятнике рабочая кромка ножа молота должна быть расположена вертикально, для чего маятник уравновешивается относительно своей оои£ а центр

Рис. 29. Схема нанесения удара в маятниковом (а) и в ротационном (б) копрах.

удара должен совпадать с местом соударения ножа с образцом и рас­ полагаться на середине ширины образца. При испытаниях на двух­ опорный изгиб призматический образец должен строго горизонтально устанавливаться на опорах, при этом расположение образца относи­ тельно опор должно быть симметричным. Выполнение этих требований связано с необходимостью проведения трудоемких вычислений при определении соответствующих размеров маятника.

Как уже отмечалось, наибольшее применение маятниковые копры получили при испытаниях на двухопорный ударный изгиб. Для ис­ пытаний на ударное растяжение используются копры с измененной конструкцией молота и опор. При этом чаще всего воспроизводится схема нагружения, при которой образец с приспособлением для его крепления и наковальней устанавливается на молоте маятника, а боек — на опорах. В этом случае в процессе ударного нагружения боек неподвижен, а образец перемещается вместе с маятником.

Если запас кинетической энергии маятника значительно превос­ ходит расходуемую на разрушение образца работу, то при испытани­

ях на растяжение реализуется режим постоянства деформации (е = = const). Однако при ударных испытаниях на растяжение на маят­ никовых копрах нельзя обеспечить чистоту эксперимента (как по вос­ производимости результатов, так и по реализации определенного ре­ жима нагружения), поэтому они используются для таких испытаний

только в тех случаях, если экспериментатор не имеет другого обору­ дования.

Отечественной промышленностью выпускаются маятниковые коп­ ры с запасом энергии от 2 до 300 Дж, за рубежом — от 0,5—750 Дж (в каталогах японской фирмы «ТорСй» упоминаются копры с запасом энергии 1000, 5000 и 10000 Дж). Современные Копры от 150 Дж и выше представляют собой сложные испытательные комплексы с устройства­ ми автоматического подъема и Спуска маятника, оснащенные совер­ шенной измерительной аппаратурой й 1электронно-вычислительными системами для обработки и представления результатов эксперимента.

С помощью ротацйбнных копров можно получать скорости дефор­ мирования до 300 м/с [15, 16]. Однако практическое проведение испы­ таний при таких скоростях деформирования трудно осуществимо из-за возникающих вибраций и в настоящее время ротационные копры в основном используются при скоростях до 25—30 м/с, при которых еще можно регистрировать процесс деформирования.

В ротационных копрах кинетическая энергия накапливается за счет разгона маховых масс, которые в момент нагружения сцепляются с образцом, деформируя его в режиме постоянной скорости деформа­

ции (е = const). Маховик — ротор 1 копра (рис. 29, б) приводится во вращение от электродвигателя через клиноремеиную передачу. После достижения маховиком рабочего значения частоты вращения по команде оператора срабатывает электромагнитная защелка (на рисунке не показана), удерживающая боек 2 в исходном положении утопленным в гнезде маховика, происходит выброс бойка и он уда­ ряет по наковальне 5, жестко соединенной с активным захватом 4 образца 3. Регулируя с помощью электропривода и системы передач частоту вращении маховика, можно получать различные значения скорости деформирования образца по формуле

» = юЛ = . (IV.3)

где о — угловая скорость; п — частота вращения маховица, об/мин; В — радиус удара, равный расстоянию от оси вращения маховика до центра удара.

Как следует из формулы (IV .3), значение скорости можно также варьировать путем изменения радиуса удара.

Отечественной промышленностью ротационные копры в настоящее время не выпускаются. Копры фирмы ВПМ (ГДР) позволяют варьиро­ вать скорость в интервале значений от 5 до 50 м/с. В этих копрах ис­ пользуются маховики толщиной 100 мм и диаметром 600 мм, обеспе^ чивающие при максимальной частоте вращения запас кинетической энергии до 120 кДж.

Ротационные копры применяются при испытаниях на ударное растяжение и изгиб. При их подготовке к испытаниям необходимо выполпять те же требования, что и при подготовке маятниковых коп­ ров.

В вертикальных копрах со свободно падающим грузом ударная нагрузка возбуждается в результате падения с некоторой высоты

груза под действием гравитационных сил. Скорость груза в момент удара бойка по образцу определяется из соотношения

Если бойку с грузом сообщен запас кинетической энергии, по крайней мере на порядок превышающий работу разрушения образца, то нагружение образца происходит в режиме постоянной скорости деформирования, численно равной скорости груза в момент удара и определяемой из формулы (IV .4). Известны копры без направляющих с высотой падения до 12 м [15], на которых получены скорости дефор-

Рнс. 30. Схема нанесения удара свободнопадаюшпм грузом:

а — падающий образец, б, в — неподвижный образец.

мироваиия до 11 м/с; высота копров с направляющим обычно не пре­ вышает 4 м и реализуемые на них скорости могут достигать 6 м/с [15, 38]. В настоящее время благодаря использованию в силовой це­ почке образцов ступенчатых волноводов на вертикальных копрах при скорости падения груза до 6 м/с получают скорости деформирова­ ния до 25 м/с [38].

По конструктивной схеме все вертикальные копры подразделяют па две основные группы: к первой относятся копры с падающим образцом, а ко второй — с неподвижным. В соответствии с первой схе­ мой нагружения (рис. 30, а) к образцу 2 крепятся два груза — верх­ ний контргруз 1 и нижний основной груз 3, от массы которого зави­ сит запас кинетической энергии, частично расходуемой на разруше­ ние образца.

Висходном положении образец с грузами поднимается на высоту h. После падения с этой высоты контргруз, выполняющий в данном случае функцию бойка, ударяется о наковальню 4 кольцевого сече­ ния и стопорится, цилиндрический груз проходит в отверстие нако­ вальни и, продолжая движение, разрывает образец.

из ригеля, двух стоек и устанавливается на плите, опирающейся на достаточно мощный фундамент. Силовая цепочка при ударных испыта­ ниях па таких копрах замыкается через наковальню, образец, динамо­ метр, ригель, стойки и плиту на фундамент; кроме того, фундамент воспринимает ударные нагрузки, возникающие при ударе груза об амортизационную платформу. Высота вертикальных копров рассмат­ риваемого типа не превышает 4 м, что обеспечивает получение ско­ ростей деформирования до 6 м/с в режиме постоянства деформации.

Для испытаний на растяжение со скоростью до 25 м/с на верти­ кальном копре используется эффект изменения скорости упругой волны при ее распространении по стержню со ступенчатым изменени­ ем сечения [38] (рис. 30, в). Образец 4 с помощью резьбовых головок соединен с динамометром 2 и ступенчатым стержнем-волноводом 6У на конце которого укреплена легкая наковальня 8, воспринимающая удар свободиопадающего груза 7. Центровка цепи силона груженияобеспечивается за счет точного изготовления направляющих поверх­ ностей в ловителе 9, волноводе 6, образце 4, динамометре 2 и попере­ чине 5, а также благодаря использованию шаровой опоры 1. Силовой контур в копрах такого типа замыкается через волновод, образец, ди­ намометр, верхнюю поперечину, стойки 3, плиту 10 и фундамент на • грунт.

При ударе груза по наковальне в волноводе возбуждается упругая волна и при ее отражении от конца волновода в образце реа­ лизуется скорость деформирования, намного превышающая скорость груза при его соударении с наковальней (используя методы теории распространения упругих волн в ступенчатом стержне, можно пока­ зать, что при переходе волны из одной ступени в другую скорость еа распространения изменяется). Так, при падении груза с высоты 2 м при испытании образцов малого поперечного сечения (по сравнению с сечением последней ступени волновода) гладкие, одно- и двухступен­ чатый стержни-волноводы обеспечивают номинальную скорость де­ формирования соответственно 12,5; 21,9 и 26,5 м/с (действительная скорость относительного перемещения головок образца несколько ниже).

Незначительное возрастание скорости деформирования при уве­ личении числа ступеней выше двух и рост уровня напряжений в последней ступени при распространении упругой волны до предела текучести ограничивают применение рассматриваемого метода исполь­ зованием волновода с одной-двумя ступенями.

В заключение необходимо отметить, что время испытания с посто­ янной скоростью деформирования при использовании ступенчатых волноводов ограничено временем двойного пробега упругой волны по длине последней ступени волновода, и для поддержания этой скорости в процессе испытаний постоянной необходимо уметь правильно рас­ считывать массу груза, а также площадь поперечного сечения ступе­ ней волновода, динамометра и образца.

4 . Пневмопороховые копры

Пневмопороховые копры, представляющие собой баллистические ствольные системы, позволяют проводить испытания материалов при скоростях соударения до 1000 м/с, вызывающих возникновение в •стержневых образцах ударных продольных, а в листовых — плоских волн нагрузки [38]. Сложный характер поведения материалов в удар­ ных волнах, связанный с импульсным распространением и релакса­ цией напряжений, методические трудности регистрации кратковре­ менных процессов длительностью в несколько микросекунд требуют

разца полностью контроли­ руется движением наковальни, не прерываемым отскоками бойка.

Схема копра для испытаний на растяжение приведена на рис. 31, а. Образец 15, соединенный с диналюметром 12, находится в жест­ кой трубе 9, установленной в стволе 11. Один конец трубы закреплен в воздухораспределителе 2, а на другом зафиксирована наковальня 16, с помощью которой труба центрируется относительно оси канала ствола. Нагружающий боек-снаряд 13 разгоняется по каналу ствола сжатым газом и при полете не соприкасается с трубой 9, предназна­ ченной для защиты размещенных на динамометре датчиков с кабеля­ ми от воздействия разгоняющих боек газов. Узел нагружения с об­ разцом размещены в вакуумной камере копра, которая состоит из двух частей. Стационарная часть камеры 10, имеющая кабельные вво­ ды для соединения укрепленных на динамометре 12 датчиков с регист­ рирующей аппаратурой, укреплена неподвижно на станине 7. По­ движная часть камеры 18 может откатываться по станине, открывая

свободный доступ к узлу крепления образца. С помощью переходного фланца со стволом соединена камера сжатого воздуха 8. Воздух в ка­ меру поступает от баллона 5 через вентиль 4 и после достижения в пей необходимого давления разрушает диафрагму 3 и разгоняет боек, который при вылете из ствола ударяет по наковальне и разру­ шает образец.

Для предотвращения разрушения вакуумной камеры она снабже­ на предохранительным клапаном, который срабатывает при давлении выше 0,1 МПа и обеспечивает выход газов в атмосферу. Перед испы­ таниями в камере создается разрежение с давлением до 1,3 102 — 1,3 103 Па, достаточным для гашения ударной волны При выходе газов из капала ствола. Разгон бойка сжатым воздухом давлением до 15 МПа позволяет проводить исследования при скоростях соударе­ ния от 50 м/с до 300 м/с (скорость в каждом конкретном случае зави­ сит от толщины диафрагмы, конструкции камеры давления, переход­ ного фланца, воздухоразделителя и схемы их соединения со стволом). Для получения более высоких скоростей давление в камере повы­ шают, сжигая в камере 7 порох, который воспламеняется с помощью электроспирали 6. После разрушения образца его обломки вместе с наковальней и бойком попадают в ловитель 17, заполненный ветошыо.

Большое влияние на результаты испытаний при высокоскорост­ ном нагружении оказывает неплоскостность удара, для устраненпя которой необходимо обеспечивать строгую Параллельность соударяемых поверхностей бойка и наковальни. Для центровки наковальни применяют специальный шаблон-цилиндр, устанавливаемый в канал ствола. Опорную поверхность наковальни устанавливают параллель­ но торцу снаряда-бойка с точностью до 0,01 мм перемещением флан­ ца 14 с помощью гаек 19.

Для исследования поведения конструкционных материалов в плос­ кой волне нагрузки также используются пневмоиороховые копры, конструкция которых практически не отличается от рассмотренной.

Плоская упругоплаетическая волна возникает в пластинах при большой скорости их соударения. Одна из пластин является образ­ цом и неподвижно крепится к наковальне, а вторая, жестко соединен­ ная с бойком, разгоняется в канале ствола пневмопорохового копра (рис. 31, а). Так как при испытаниях пластин отпадает необходимость в размещении в канале ствола стержня-динамометра и защитной тру­ бы, конструкция копров для ударного нагружения плоской волной за счет этого отличия несколько упрощается по сравпепию с конст­ рукцией копров для испытаний на растяжение-. Также упрощается и компоновка узла крепления образца, показанного на рис. 31, б. Об­ разец 5 крепится к опорной плите 6 с помощью гаек и шпилек 3 флан­ цем 4 через амортизатор 8. Боек 2 выполняется из легкого (алюминие­ вого) сплава в виде стакана, к торцу которого приклеена пластина 7 из стали или другого материала. При изготовлении стакана и ствола 1 должна обеспечиваться высокая точность их сопрягаемых диамет­ ров, позволяющая стакану после выстрела плавно скользить по ка­ налу ствола и исключающая возможность несовпадения продольных осей ствола и стакана.

Экспериментальные исследования в рассматриваемом случае тре­ буют также обеспечения высокой чистоты соударяемых поверхностей и плоскостности соударения. Амплитуда волны нагрузки при неплос­ ком соударении достигает значения, соответствующего значению при плоском соударении, при условии

СV 1

гдо d — диаметр бойка; с — скорость распространения фронта волны нагрузки по поверхности; о — скорость соударения; Ah — отклоне­ ние от параллельности соударяемых поверхностей на диаметре бойка.

При выполнении этого условия волна нагрузки распространяется по невозмущенному, поверхностной волной материалу. В связи с су­ щественным влиянием на результаты испытаний неплоскостности удара при подготовке испытаний особое внимание должно уделяться соблюдению параллельности поверхностей соударяемых пластин. Используемый в конре узел крепления позволяет обеспечить доста­ точную параллельность образца о закрепленной на торце бойка пла­ стины, при которой неплоскостность соударения, вызванная возмож­ ным отклонением оси стакана от оси ствола и точностью установки опорного ствола, не превышает 0,03 мм. Как уже отмечалось, соос­ ность бойка и ствола достигается за счет точности их изготовления, а опорная поверхность ствола выставляется параллельно поверхности бойка с помощью гаек но микрометрическому индикатору с ценой деления 0,01 мм.

В копрах для импульсного нагружения плоской волной можно получать при выполнении условия (IV .6) скорости соударения пластин от 10 до 1000 м/с [38].

Плоские ударные волны в твердых телах можно также возбуждать при взрыве на поверхности тела через топкую пластину из фольги взрывчатого вещества или при метании импульсным электромагнит­ ным полем металлического диска на плоскую поверхность тела.

Вобщем случае удар пластины создает в плоском образце импульс

сбыстрым нарастанием давления до максимума и дальнейшим сохра­ нением его постоянства до момента прихода волн разгрузки от свободной поверхности образца. В упругопластических волнах, возни­ кающих при таком соударении, материал находится в сжатом состоянии. Поэтому в последнее время исследования при ударном возбужде­ нии плоских волн получают все большее развитие, так как только эти исследования позволяют получить данные о поведении материалов и их характеристиках прочности в условиях наиболее высоких ско­ ростей деформации (104— 106 с-1 ) при всестороннем сжатии.

Выше рассмотрены системы силонагружения, обеспечивающге возбуждение в объектах исследования таких скоростных и импульс­ ных (ударных) пагрузок, которые позволяют формировать необходи­

мые режимы испытаний (о = const, а = const и е = const), исследо­ вать при этих режимах поведение материалов в поддающихся анализу условиях напряженно-деформированного состояния и корректно определять их характеристики прочности и пластичности.

В практике эксперимента кроме рассмотренных нашли распрост­ ранение также различные по принципу возбуждения динамических нагрузок вибростенды и ударные стендыг предназначенные для иссле­ дования способности изделий и натурных элементов конструкций вы­ полнять свои функции в условиях ударных воздействий — одиноч­ ных и многократных, формирующих импульсы с заданным законом затухания, имитирующих реакцию изделия на удар и т. п. Эти стенды различаются по назначению, виду воспроизводимого ударного нагру­

объединяет один общий признак — все они представляют собой слож­ ные системы, как правило, с замкнутым контуром регулирования, ос­ нащенные современной измерительной и управляющей электронной аппаратурой. В таких стендах в основном используются электроди- -намические, электро гидравлические, пневматические и гравитацион­ но-механические системы возбуждения нагрузок, аналогичные тем, которые применяются при высокоскоростном динамическом нагруже­ нии образцов и испытаниях на усталость. Принцип действия этих систем силовозбуждеиия и их структурные схемы рассматриваются в соответствующих разделах книги и поэтому здесь мы ограничимся только приведенным перечислением.