Для начала давайте определимся, что же такое механические свойства и какие они бывают. Механические свойства – это способность материала выдерживать нагрузки приложенные из вне. К таким нагрузкам относятся сжатие, изгиб, удар, кручение, твердость, пластичность, упругость, истираемость и т. д.
Чтобы искусственно воспроизвести эти нагрузки произведенный материал (образец) испытывают, для определения пиковых и номинальных значений работы данного образца.
Испытания проводятся на машинах обеспечивающих определенный тип нагрузки, обычно в Ньютонах (Н). Разрывные машины в основном являются универсальными, так как работают на растяжение и сжатие, и позволяют определять деформацию, упругость, пластичность и многое другое. Но все машины без исключения получают от контроллера три параметра: Нагрузку (Н), Перемещение (мм) и Время (с)
.
Для таких видов нагрузки как крутящий момент специально разработана машина на кручение обеспечивающая вращение образца вдоль своей оси. Изгибающие силы могут быть определены как при испытании на классической разрывной машине, так и при испытании образца на маятниковом копре. Выглядят такие машины как токарный станок с установленным на оси кручения датчика момента.
Часто для определения твердости материала требуется такая машина как твердомер обеспечивающая контроль твердости после производства материала, (например, стали). В зависимости от твердости материала, выбирается тип шкалы: твёрдость более мягких изделий обычно измеряют по шкале Шора или шкале Бринелля; для более твёрдых изделий используют шкалу Роквелла; для совсем твёрдых — шкалу Виккерса.
Еще существуют испытания на усталость и длительную прочность, они в основном проводятся на классических разрывных машинах способных поддерживать образец под постоянной нагрузкой долгое время, и с использованием климатических камер для воссоздания требуемых климатических условий. Единственным отличием от классической разрывной машины является нагрузочная система, выполненная в виде набора грузов, установленных через рычаг. Количество таких машин в лаборатории может достигать десятков штук, а испытания могут длиться от нескольких дней до нескольких недель, месяцев и даже лет.
Существует еще один класс машин: машины трения предназначены для изучения процессов трения и вызванного трением износа, свойств смазочных и фрикционных материалов.
Многие испытательные машины разрабатываются и делаются под заказ так как серийная машина не подходит по тем или иным причинам (габариты испытуемого образца, способ крепления его в захватах, точность измерения, параметры измерения…), заказчиком в основном выступают университеты (если у них хватает финансирования), различные научно-производственные объединения и все те кто может работать не со стандартными материалами.
К любой испытательной машине необходимы захваты для зажима и удержания в процессе испытания образца. Типов захватов очень много, я упомяну некоторые: Тисочные (работают и выглядят также как тиски), клиновые (самозажимные), клещевые (работают и выглядят как клещи). Все захваты со сменными губками под круглые и плоские образцы, а также отличаются насечкой.
Немного видео испытаний и работы машин:
В сегодняшней статье я привел несколько типов испытательных машин позволяющих обеспечить испытательную (научную) лабораторию всеми необходимыми физико-механическими испытаниями.
На этом пожалуй все, но если будет интересно, могу написать про процесс изготовления, ценообразование, и вообще отвечу на все дополнительные заданные вопросы в комментариях к этой статье.
Для затравочки могу сказать, что одна универсальная машина с максимальной нагрузкой 50кН (5тонн) в зависимости от исполнения, стоит около 1мил. руб., как не плохой новый автомобиль иностранного производства.
Комментарии (53)
Radmin
19.12.2016 14:30Ностальгия… На 4-м курсе МИСиС'а на таких установках лабораторные работы проводили.
vbifkol
19.12.2016 14:36Спасибо, интересно. Особенно интересно про ценообразование, откуда там миллион набегает?
CybSys
19.12.2016 14:40+5Надеюсь что не вам одному это интересно, хочу оформить это в статью, + добавить ответы на вопросы, если таковые здесь будут. Правда меня «закажут» — после такой статьи )))
melchermax
19.12.2016 15:38+2Пишите больше, интересно получается. А почему после разрыва объекта захваты болтаются в горизонталъной плоскости?
roaming_mouse
25.12.2016 22:31Если захваты зафиксировать жестко, то их несоосность (а она будет в любом случае, пусть и небольшая) будет вызывать иные нагрузки, помимо чисто растягивающей (изгибающий момент и т.п.). А так, когда у захватов есть вращательные степени свободы, они самоцентрируются, становятся соосно, чем сильно упрощают жизнь испытателю :)
Psychosynthesis
20.12.2016 02:20Расскажите подробней про работу с тензометрическими датчиками. Как конкретно они работают, как сделать такой «на коленке», как работать с промышленными…
Вот, для примера (не реклама, первое что под руку попалось), CAS Corp BSA 5, как мне его к своей механике прикрутить чтобы, скажем, прутки на разрыв мерить и как сигнал обрабатывать?
Ну это я так, на пальцах хотя бы чтоб было понятно. Вот такая статья была бы интересна. А то пока у вас, что-то типа «вот есть вот такие штуки и вот это вот они измеряют». Прикольно, конечно, но то что они есть и так понятно, больше интересно как именно эти штуки работают и как устроены.Garbus
20.12.2016 08:30Я не специалист, поэтому могу не видеть множества тонкостей, но «приклеить датчик» это как в том анекдоте про наладчика, который за удар иолотком берет доллар, а за знакие куда и как 9999…
Так и выйдет, надо смотреть конструкцию, можно ли в теории прилепить. Считать где и какие напряжения, для определения конкретной точки и способа крепления датчиков. После чего полировать все это калибровкой и испытаниями получившегося девайса.
Вот поглядеть на соотношения затрат и порядки цифр в них было бы интересно, это да.Psychosynthesis
21.12.2016 02:06А мне не нужна ни точность «до грамм», ни эпюры напряжений, ни вот это всё… Я тупо хочу измерить при каком натяжении (в кг) порвётся образец, пусть даже хоть и с точностью до килограмма.
Подозреваю что есть способ проделать это с подобным датчиком без всяких изнурительных «полировок и калибровок» девайса. Вот хотелось бы узнать как, собсна.Garbus
28.12.2016 12:45Простейший способ, это рычаг. Тянем через него весами образец, глядим значение при котором порвалось. Можно «автоматизировать» процесс, снимая на видео. Тогда добавив на фон линейку, еще и увидим на сколько материал растянулся перед разрывом.
Проблемы начинаются, когда для испытания мало сотни-другой килограмм, а нужны тонны с приличной точностью. Тогда и начинаются пляски вокруг прибора, в попытке учесть все возможные факторы.
P.S. Блин, не заметил что ответ не добавился сразу, печально.Gozdi
28.12.2016 12:48еще и увидим на сколько материал растянулся перед разрывом.
Получить разрыв и на каком усилии зафиксировать — не основная задача, процесс не линейный.Garbus
28.12.2016 17:00Ну так на видео будет и время, и соотношение усилие/растяжение видно. Точность конечно очень так себе, но практически «на халяву». Да и записывать лог можно, бывают такие измерители силы.
Как правило, если хочется чего то получше, и отдают образцы в лабораторию или покупают оборудование.
zuev93
19.12.2016 15:48+1Знакомые машины. Как раз занимаюсь обработкой данных с подобных машин (Instron 1185) и пишу по этой теме диссертацию.
gsaw
19.12.2016 16:53Цена в один миллион звучит как в сериале CSI Miami, а лаборатория выглядит прямой противоположностью. Неужели денег не хватает или всем плевать в каких условиях работать?
zomby
19.12.2016 18:01Кабинет директора, думаю, выглядит нормально. Плевать, плевать ли всем остальным, в каких условиях работать, или не плевать.
T-D-K
19.12.2016 20:45+1Эти картинки вызвали странный приступ ностальгии. Отработал 3 года лаборантом в лаборатории кафедры «Сопротивления материалов». У нас разрывных машины было 3. Работали из них две. И реально использовалась только одна. А сколько я перепаял тензодатчиков и посчитать страшно.
AVKinc
19.12.2016 20:51Берем гидроцилиндр, насос высокого давления, датчик давления качественный, линейку измерительную цифровую, микроконтроллер, дисплей и… И все.
Пара хороших инженеров такой девайс за две недели сделает.
perfect_genius
19.12.2016 21:54+1Почему они все не прикрыты? Разве нет опасности разлёта осколков при деформации?
AleksBal59
20.12.2016 10:27+1Несколько уточняющих моментов и некоторых поправок:
Испытания проводятся на машинах обеспечивающих определенный тип нагрузки, обычно в Ньютонах (Н)
Корректнее про тип нагрузки было бы говорить «статическая/динамическая» (по отношению к ее изменению во времени) или «растягивающая/сжимающая/и т.д» (по тому, как она действует на образец). А Ньютоны — это единица измерения, но не тип нагрузки. Да, обычно используются именно Ньютоны (Н), но так же широко встречаются и другие ед. измерения: килограмм-сила (кгс), тонна-сила и прочие.
Изгибающие силы могут быть определены как при испытании на классической разрывной машине, так и при испытании образца на маятниковом копре
Опять же следует разделять испытания статический изгиб (реализуется либо на универсальной испытательной машине в зоне сжатия, либо на прессе со специальной оснасткой) и испытания на динамический изгиб, которые так же называются испытаниями на ударную вязкость (реализуются с применением копров как маятниковых, так и со свободно падающим грузом). Это совершенно разные характеристики, отражающие разные свойства материала.
Часто для определения твердости материала требуется такая машина как твердомер обеспечивающая контроль твердости после производства материала, (например, стали). В зависимости от твердости материала, выбирается тип шкалы: твёрдость более мягких изделий обычно измеряют по шкале Шора или шкале Бринелля; для более твёрдых изделий используют шкалу Роквелла; для совсем твёрдых — шкалу Виккерса
Методы измерения твердости по Шору, Бринеллю, Роквеллу, Виккерсу — это в принципе разные методы имерения твердости. И отличия в них очень существенные: разные инденторы, разные типы приложения нагрузки, в конце концов само значение твердости по каждому методу имеет свой физический смысл. Так в Бринелле и Виккерсе твердость — это отношение приложенной нагрузки к площади боковой поверхности отпечатка; в Роквелле — остаточная глубина проникновения индентора в образец после снятия основной нагрузки; по Шору — высота отскока индентора от поверхности. И хотя в общем случае мы говорим об одной и той же характеристике — «твердости», надо понимать, что в каждом методе есть определенные нюансы и физ. смысл получаемого числа твердости в разных методах — разный. И выбор того или иного метода измерения твердости обусловлен не столько самим уровнем твердости образца, сколько рядом других факторов: размеры образца, требуемая точность, требования НТД и так далее.
А закрыть широкий диапазон твердости можно и с использованием одного твердомера путем варьирования нагрузки и используемого индентора, например если говорить о Роквелле то это большое кол-во шкал, из которых на территории постсоветского пространства наиболее распространены 3: HRA/HRB/HRC — позволяющие в итоге измерить твердость как очень мягких, так и очень твердых материалов.
Ждем продолжения о непосредственно производстве испытательных машин.
EvgeniyUG
21.12.2016 10:13Занимаюсь внедрением решений в этой плоскости. 1млн. не предел. Отечественные машины отличаются задержкой в развитии на лет 10. Основная проблема — электронника. Отечественная отстает. Представьте задачу — вам нужно разложить в цифру сигнал с тензодатчика, который снимает данные с образца, на который действует короткий импульс в 5 секунд, величиной в 50 тонн и еще при повышенной температуре! Моделирование ситуации с гидроударом в трубопроводе АЭС. Практическая задача с величиной частоты дискретизации и т.д. Печально. В этом поле — контроль качества (это по сути разного рода "линейки") один импорт. В авиации все любят Щаейцарские машины :) Тут надо госпрограмму для развития, как это делает Китай. А у нас… Это я еще вопрос контроля хим. состава металлов не затронул. Там вообще беда. На всех крупных заводах одни немецкие приборы. А тут санкции!
CybSys
25.12.2016 22:47Согласен, отстаем, но можем и не отставать, но тогда цена машин увеличится в два раза, и тогда спрос упадет
sergku1213
А почему не делаете такую машину использующую внешний пресс? Т.е прессы есть много где, усилие пресса передается на испытываемый образец. Получается очень легко и дёшево. И не надо говорить что пресс сжимает, а тут нужно растяжение.
CybSys
Ну почему же, делаем и пресса, просто на малые нагрузки предпочитают универсальные машины — выгодней.
DMGarikk
А мне кажется проблема в том что подавляющее число промышленных прессов не может выдать прецизионную нагрузку
CybSys
конечно, разные вещи: промышленный пресс и испытательный. Пресс для авто мастерской на нагрузку10тонн стоит 10т.р., а наш в 100 раз дороже
vbifkol
Эээ… А в чем разница, кроме цены? Есть замечательный Дзержинский завод оргстекла, они продают литой акрил и авиационный акрил. Отличаются только ценой — примерно в 10 раз, льют из одного материала, на одном оборудовании, по одной технологии, с одинаковым контролем.
melchermax
Другие сертификация, страховка, упаковка?
vbifkol
10 000 и 1 000 000, разница 990 000, это многовато для страховки и упаковки. Сертификация для многих (для меня, например), абсолютно не важна. Если бы мне кто предложил разрывную машинку за 10 тыр абсолютно такую же, но без страховки, упаковки и сертификации — взял бы сегодня. Две. Нет, три. Или четыре, еще детям домой баловаться. Нет, пять — другу подарю. Ну и так далее.
Цена лям для меня запретительная, но у меня и требования почти что бытовые.
melchermax
Вы путаете акрил и тестовый станок. В случае со станком там будет ещё и точность, и ПО, и техподедержка, и накладные расходы мелкой серии в цене.
vbifkol
Ага, и какая точность и что такое точность для пресса? Что такое ПО для пресса? Что такое ПО для пресса?
Greteon
Для разрывных машин Цвиг. Программа в которой определяется форма образца (прямоугольный/круглый, стандартный/нестандартный), его размеры, строится кривая нагружения по данным с датчиков, рассчитываются механические параметры, формируется стандартный отчет, ведется база данных.
А так же задается скорость деформации, температура испытаний (если разрывная машина имеет печь), контроль температуры.
melchermax
Точность — это возможность, к примеру, подать на обьект именно 5022 Ньютон, а не что-то между 4980 и 5120. А ПО (программное обеспечение) — это такие циферки, которые в компьютере разговаривают с другими циферками, чтобы оператор увидел, к примеру, графики зависимости деформации от нагрузки.
vbifkol
Про точность понял. А в разрывных машинах разве это используется, а не равномерное возрастание давления с регистрацией текущего?
Про ПО — мы говорили о прессах, а не о разрывных машинах. Из фразы «конечно, разные вещи: промышленный пресс и испытательный. Пресс для авто мастерской на нагрузку10тонн стоит 10т.р., а наш в 100 раз дороже» я так понял, миллион стоит компонент машины — пресс, потому и удивился.
konst90
Используется то, что надо оператору.
У меня вот например сейчас в отладке программа — сначала на разрывной машине образец сжимается до некоего предела, потом разгружается почти до нуля, потом снова нагрузка почти до предела, потом разгрузка — итерационно всё ближе к некоей точке — заданной нагрузке или деформации.
Затем после достижения этой точки обратный процесс — циклы нагрузка-разгрузка со всё увеличивающейся амплитудой и регистрацией силы на датчике и перемещения траверсы установки.
А потом уже оттуда экспорт в .txt и обработка результата в MatLab.
На типовом прессе для автосервиса вы этого не сделаете.
CybSys
Мы сделаем, дешевле чем предложат все остальные, но все (в основном цена) зависит от конкретных задач
Gozdi
Китай и Индия, по памяти, предлагают самую маленькую разрывную машину в своих линейках, в районе 5-6,000 долларов. Ваши машины конкуренты?
CybSys
да, настольная машина с нагрузкой 200кг, будет стоить 300т.р.
ksider
из весов из зажимов можно и дешевле сделать.
CybSys
можно, но существует множество определенных моментов
ksider
конечно, я про разрывную машину за 10к, и что можно вообще за 10$ сделать, но как рвать ей керамику, или испытывать усталостную выносливость вулканизата…
DMGarikk
А в случае с Дзержинским заводом то если чтото упадёт с неба по вине авиационного акрила, то ктото сядет, а если упадёт по вине обычного акрила то нет (потому что нужно было ставить авиационный)… это если вникать только в организационные вопросы
===
а в случае с прессами, вы же понимаете что например обычный пресс не обеспечивает равномерное нарастание нагрузки из-за, например, неравномерной работы насоса, или из-за деформации (микронной конечно) рабочих частей приводов, раздувания шлангов гидросистемы и т.п. потому что для обычного пресса это не нужно. А для таких целей как испытания прочности нужно как можно более плавный график изменения нагрузки и ожидаемые (и просчитаные) деформации рабочих частей самой установки… т.е. не абы-какой болт в креплениях, а из стали строго определённой марки, ну и т.п.
vbifkol
Про ДЗО ага, согласен. Именно юридические проблемы, хотя де-факто в случае катастрофы всем будет пофигу, да и при вскрытии косяков тоже.
Про работу насоса и пр. уже интересней. Собственно, вопрос про это и был, о каких точностях мы говорим и есть ли возможность сознательно от них отказаться в пользу сильного (на порядок) удешевления конструкций.
sergku1213
Меряйте и пишите реальное усилие пресса и реальную деформацию стержня. И если график будет волнистый — не колышит, инерционность тут не важна. Оно как бы можно сделать, но просто в промышленности вряд ли кто-нибудь сподобился такое сделать. Там мужики очень крутые работали. Мы тоже в своё время переделали ДРОН-2, ДРОН-2М, ДРОН-3 в нештатном режиме снимать график рассеяния. Ну и прекрасно работало, хотя вроде бы режим использовался прогонки. По идее те же самые опасения должны были быть, но оно всё усреднялось и в итоге погрешность была незаметна вовсе. Зато стали делать анализ за 30 мин. Тогда это было круто.
sergku1213
В Институте где я работал были прессы. Много прессов. Высокие давления на них получали. И пресс на несколько сотен тонн был совсем не громоздкой штуковиной. На 50 000 тонн, да был большой. Очень. Так там, в одном из отделов, когда понадобилась разрывная машина пришлось придумать нечто своё в 50 раз меньше и в 50 раз дешевле того что предлагала промышленность. Конечно я не говорю о кузнечных молотах, но прецизионность не слишком нужна для точного измерения параметров разрыва образца. Важно точно снимать реальное давление. И не по манометру пресса. На самом устройстве, если умеете клейте тензометры и вуаля. Они это умели очень хорошо. Получилась круглая штуковина, которую в руках можно унести с усилием в десятки тонн.