РАЗДЕЛ 2
МЕТОДИКИ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЙ КОМПЛЕКС
ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ ИСПЫТАНИЙ
УУКМ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ ВИДАХ НАГРУЖЕНИЯ
Для эффективного использования КМ очень важно получение достоверных сведений об их термомеханических характеристиках в условиях, максимально близких к эксплуатационным [9 ? 11, 16, 24, 33, 38, 122]. Возникающие при этом трудности связаны с обеспечением точного измерения усилия и деформации рабочей части образца, необходимостью ее быстрого нагрева со скоростью . Также важно поддержание равномерного температурного поля по длине рабочей части образца.
Для реализации поставленной задачи усовершенствования экспериментальных средств и методик, на базе созданной ранее в Институте проблем прочности им. Г.С. Писаренко НАН Украины установки 1958У10-1 [46], разработан испытательный комплекс для исследования термомеханических характеристик углерод-углеродных композиционных материалов при растяжении, сжатии и кручении в условиях температур в вакууме, окислительной или инертной среде (Рис. 2.1) [47, 49].
Основные изменения, произведенные автором данной работы при модернизации установки, коснулись системы измерения и управления экспериментом. Для разных видов испытаний были разработаны оригинальные образцы, а также модифицированы разработанные ранее и созданы новые методики, обеспечивающие учет рассмотренных выше особенностей и специфики проведения исследований термомеханических характеристик УУКМ. На многие из них получены патенты Украины и Российской Федерации [92 - 96].
Схема разработанного комплекса приведена на рис.2.2. Базовыми являются системы универсальной испытательной машины 1958У-10-1.
Рис.2.1. Комплекс для испытаний УУКМ при различных видах нагружения в условиях температур .
Рис. 2.2. Схема комплекса для испытаний УУКМ при различных видах нагружения
в условиях температур .
Двухсекционная камера (14) цилиндрической формы, которая крепится к верхней неподвижной траверсе (16) испытательной машины, вместе с переходными сильфонными уплотнениями (5) и (18) составляет герметичную полость для испытаний в средах (вакуум, воздух, инертный газ). В первой секции расположены все элементы передачи нагрузки (6), (7), (15), (19) на образец (11), передающие элементы систем измерения деформаций, термопары (10), коммуникационные устройства электрических цепей, систем охлаждения, вакуумирования и подачи инертного газа. Во второй секции, отделенной от первой системой экранов (24), расположена измерительная часть тензометра (23). Визуальное наблюдения за поведением образца и дистанционное измерение температуры пирометром (8) производится через иллюминатор (9) в водоохлаждаемой крышке (13). Для измерения усилия на верхней траверсе установлен датчик (17).
Создание и контроль условий, близких к вакууму, в камере обеспечиваются насосом (28) и мановакуометром (22). Система вакуумирования позволяет получать разрежение в испытательной камере до за 2...3 мин. Для получения инертной среды в камеру проводится закачка инертного газа из баллона (26).
Для реализации скоростей нагрева, близких к эксплуатационным, в установке используется способ прямого пропускания электрического тока через образец, обеспечивающий весьма высокие скорости его нагрева при практически однородном температурном поле в поперечном сечении образца. В задней съёмной крышке (20) водоохлаждаемой камеры установлены медные водоохлаждаемые тоководы (21), через которые к захватам с помощью медных проводов (12) подводится переменное напряжение для нагрева рабочей части образца. Для создания равномерного поля температур по длине рабочей части образца разработана оригинальная методика дополнительного подогрева ее краев. Принципиально процесс нагрева реализуется по схеме, показанной на рис.2.3 при испытаниях на растяжение (а), сжатие (б) и кручение (в). Режим теплого нагружения определяется работой трех электрически не связанных источников питания, программируемых от единой системы управления нагревом.
a
б
вРис.2.3. Схема нагрева образцов при растяжении (а), сжатии (б) и кручении (в).
При испытаниях основное переменное напряжение V1 для нагрева рабочей части подводится с трансформатора (25) типа ОСУ-40 через тоководы непосредственно к водоохлаждаемым захватам, а напряжения V2 и V3 для подогрева краев рабочей части - с двух трансформаторов, мощностью по 5 кВт, к тоководам, расположенным на захватах и электрически изолированных от них. Такая привязка всех тоководов к захватам обеспечивает постоянное отслеживание перемещения зон электрического контакта в процессе деформирования образца и произвольного их перемещения в процессе испытаний. Подвод напряжений (V2 и V3) для подогрева краев образца осуществляется электродами, изготовленными из материала, аналогичного испытуемому, притертыми к поверхности образца и прижимаемыми к нему эксцентриками. Оптимизация соотношения напряжений обеспечивает необходимую скорость нагрева, компенсацию оттока тепла в захваты и, тем самым, минимизацию градиента температуры по длине рабочей части образца. Управление токовыми нагрузками в этих цепях производится через тиристорный регулятор температуры (27).
Перемещение активного захвата подвижной траверсы измеряется датчиком перемещения (4), установленным на двигателе (3). Управление испытаниями и запись данных эксперимента реализуется с помощью ЭВМ (1). Для усиления входных и выходных сигналов, фильтрации от помех и защиты ЭВМ от опасных напряжений со стороны силовых частей установки разработан блок предварительной обработки данных и управления (2). Принципиальные особенности систем измерения и управления отражены ниже.
2.1. Система измерения данных эксперимента.
Система измерения данных эксперимента (СИДЭ) включает в себя комплекс датчиков, аппаратуры визуального наблюдения, а также автоматической регистрации и первичной обработки данных, характеризующих функционирование всех систем установки, параметры термоси