Машина испытательная для механических испытаний строительных материалов на сжатие

Изобретение относится к испытательной технике. Машина состоит из нагружающего устройства, включающего основание, колонны, траверсу, подвижную и неподвижную плиты сжатия, силовой привод нагружения, тензоэлектрический датчик силы, датчик перемещения подвижной плиты, блок измерения силы, блок-систему управления нагружением или перемещением подвижной плиты и ЭВМ. Тензоэлектрический датчик силы выполнен в виде группового тензоэлектрического датчика силы, представляющего собой устройство, непосредственно соприкасающееся с опорной поверхностью испытываемого образца материала и состоящее из двух плит, одна из которых является нижней подвижной плитой нагружающего устройства машины, между которыми равномерно расположена группа метрологически идентичных и механически и электрически независимых тензоэлектрических датчиков силы, соединенных с блоком измерения силы, имеющим три выхода: в виде среднего значения сигналов группы тензоэлектрических датчиков силы, разности максимального и минимального значений сигналов тензоэлектрических датчиков силы и суммарного значения сигналов тензоэлектрических датчиков силы, по которым ЭВМ вычисляет степень неравномерности распределения нагрузки по поверхности испытываемого образца материала и предел прочности на сжатие с учетом фактической площади поперечного сечения образца по заданным формулам. Технический результат: повышение точности исследования. 1 ил.

 

Изобретение относится к испытательной технике. Преимущественная область применения: механические испытания строительных материалов, в частности, бетонов, на сжатие.

Широко известны машины испытательные для механических испытаний строительных материалов на сжатие, обеспечивающие осевое деформирование образцов испытываемых материалов, измерение нагрузки в процессе испытания тензоэлектрическим датчиком силы с блоком измерения силы, входящими в состав машины, и автоматическое вычисление механических характеристик испытываемых материалов ЭВМ по результатам испытаний [Проспекты зарубежных фирм: Zwick, MFL, Schenck (Германия), Instron (Великобритания), MTS (США) до 1981 года (до принятия стандартов DIN 51302-81 (Германия) и BS 1610-81 (Великобритания) и отечественной фирмы "Каталог продукции НИКЦИМ" (Журнал "Приборы" № 3 2001)]. При этом точность измерения нагрузки (силы) достаточно высока (в соответствии с отечественным стандартом ГОСТ 28840 и зарубежными стандартами ISO 7500-1 и EN 10002-3 погрешность измерений не должна превышать (±0,5...±3)% от измеряемого значения в зависимости от класса машины).

Недостатком этих машин, как и испытательных машин с ручным вычислением механических характеристик образцов, испытываемых материалов, является низкая достоверность оценки механической характеристики материалов - предела прочности на сжатие из-за объективно имеющей место несоосной нагрузки на образец из-за низкой поперечной жесткости нагружающего устройства, несоответствие его оси симметрии с осью приложения нагрузки и неравномерности нагружения образца из-за значительной деформации подвижной и неподвижной плит сжатия. Величины этих факторов могут изменяться от испытания к испытанию, приводят к значительному разбросу результатов испытаний из-за возможной, возникающей при сжатии испытываемых образцов неравномерности нагрузки. При этом величина неравномерности напряжений по сечению образца может превышать на порядок допустимую погрешность измерения напряжений, оцениваемых по тензоэлектрическому датчику силы, установленному по оси нагружающего устройства.

Этого недостатка, в некоторой степени, лишены испытательные машины с автоматическим управлением и вычислением механических характеристик испытываемых образцов материалов и установленной один раз при выпуске машин из производства погрешностью измерения нагрузки от степени неравномерности нагружения и, следовательно, от степени неравномерности напряжения по сечению образца, с помощью специального переносного тензометрического датчика силы, которая может учитываться расчетным путем или автоматически при определении механических характеристик реальных образцов материалов и должна быть для машин сжатия не более 10% в соответствии с немецким стандартом ДИН 51302, являющиеся наиболее близкими аналогами заявляемой испытательной машины [Проспекты зарубежных фирм: "Zwick/Roell" (Германия) 2000-2001 г,. "Instron" (Великобритания) 1985-2001 г., "MTS" (США) 1999-2000 г. Материалы симпозиума группы компании MFL в г. Москве, 16/17.09.1982 г.].

Однако такой метод исключения погрешности при определении механических характеристик образцов материалов при испытании их на сжатие имеет ряд существенных недостатков. Во-первых, степень неравномерности нагружения по сечению образца нестабильна не только при испытаниях различных типов и типоразмеров образцов материалов, но и при испытаниях идентичных образцов по той причине, что практически невозможно выполнить идентичную установку серии образцов в рабочее пространство нагружающего устройства машины. Во-вторых, нестабильные условия контакта в сферической опоре неподвижной верхней плиты. В-третьих, испытываемые образцы материалов реально не могут быть геометрически и структурно идентичными.

Этих недостатков лишена заявляемая испытательная машина для механических испытаний строительных материалов на сжатие, имеющая достоинства машин с автоматическим управлением и вычислением механической характеристики - предела прочности испытываемых образцов строительных материалов на сжатие и обеспечивающая существенное повышение его достоверности путем автоматического вычисления суммарной нагрузки и степени неравномерности нагружения образца.

Сущность изобретения состоит в том, что тензоэлектрический датчик силы выполнен в виде группового тензоэлектрического датчика силы, представляющего собой устройство непосредственно соприкасающегося с опорной поверхностью испытываемого образца материала и состоящего из двух плит, одна из которых является нижней подвижной плитой нагружающего устройства машины, между которыми равномерно расположена группа метрологически идентичных и механически и электрически независимых тензоэлектрических датчиков силы, соединенных с блоком измерения силы, имеющим три выхода: в виде среднего значения сигналов группы тензоэлектрических датчиков силы, разности максимального и минимального значений сигналов тензоэлектрических датчиков силы и суммарное значение сигналов тензоэлектрических датчиков силы, по которым ЭВМ вычисляет степень неравномерности распределения нагрузки по поверхности испытываемого образца материала и предел прочности на сжатие с учетом фактической площади поперечного сечения образца по формулам:

где δ_р - степень неравномерности распределения нагрузки по поверхности испытываемого образца материала; Р_мах - максимальное значение сигналов тензоэлектрических датчиков силы; Р_мин - минимальное значение сигналов тензоэлектрических датчиков силы; P_cp - среднее значение нагрузки на один тензоэлектрический датчик силы; PΣ - значение нагрузки, определенной по сумме сигналов всей группы тензоэлектрических датчиков силы; F - площадь поперечного сечения испытываемого образца; (1-δ_р) - степень равномерности распределения нагрузки по поверхности испытываемого образца и σ_в - напряжение, определяющее действительный предел прочности материала образца на сжатие.

На приведенном чертеже схематично изображена заявляемая испытательная машина, обеспечивающая измерение степени равномерности приложения нагрузки к образцу в процессе испытаний на сжатие и соответствующую ей величину нагрузки, определяемую как сумму нагрузок, передаваемых на образец через группу тензоэлектрических датчиков силы. Благодаря чему реально повышается достоверность результатов испытаний в части определения механической характеристики испытываемых образцов материалов - предела прочности на сжатие.

В состав заявляемой машины входят: нагружающее устройство, содержащее основание 1, колонны 2, траверсу 3; силовой привод нагружения 4 (электрогидравлический или электромеханический), тензоэлектрический датчик силы 5, выполненный в виде устройства непосредственно соприкасающегося с опорной поверхностью испытываемого образца материала и состоящего из двух плит, одна из которых является нижней подвижной плитой 6 нагружающего устройства машины, между которыми равномерно расположена группа метрологически идентичных и механически и электрически независимых тензоэлектрических датчиков силы, неподвижная плита 7, датчик перемещения 8 подвижной плиты 6, блок измерения силы 10, блок-система 11 управления нагружением или перемещением подвижной плиты 6, ЭВМ 12, вычисляющая и индицирующая механическую характеристику материала образца 9 - предел прочности на сжатие, и линии связей составных частей 13-24.

Блок измерения силы 10 и блок-система управления нагружением или перемещением 11 подвижной плиты 6 выполняют следующие функции.

Блок измерения силы 10 по линии связи 20 передает блок-системе 11 управления нагружением или перемещением подвижной плиты 6 суммарное значение сигналов тензоэлектрических преобразователей силы в цифровом значении и по линиям связи 17-19 передает ЭВМ 12 среднее значение сигналов группы тензоэлектрических датчиков силы, разности максимального и минимального значений сигналов тензоэлектрических датчиков силы и суммарное значение сигналов тензоэлектрических датчиков силы в цифровом значении, которая вычисляет степень неравномерности нагружения образца и предел прочности на сжатие материала испытываемого образца с учетом фактической площади поперечного сечения.

Сигнал от датчика перемещения подвижной плиты 6 предается на блок-систему 11 управления нагружением или перемещением подвижной плиты 6 по линии связи 22, которая формирует выходные сигналы на ЭВМ 12 по линиям связи 23 и 24 по скорости нагружения или скорости перемещения подвижной плиты 6 и сигнал управления силовым приводом нагружения 4 по линии связи 21.

Заявляемая испытательная машина работает следующим образом.

Испытываемый образец строительного материала в виде куба или цилиндра ставится на тензоэлектрический датчик силы 5, выполненный в виде устройства, состоящего из двух плит, одна из которых является нижней подвижной плитой 6 нагружающего устройства машины, между которыми равномерно расположена группа метрологически идентичных и механически и электрически независимых тензоэлектрических датчиков силы (см. чертеж). При этом отдельные тензоэлектрические датчики силы механически и электрически независимы, но калиброваны в одном масштабе и должны иметь нулевые показания. Затем образец зажимается в рабочем пространстве машины между тензоэлектрическим датчиком силы 5 и верхней неподвижной плитой 7. Далее посредством блок-системы управления 11 задается режим возрастания нагрузки на испытываемый образец до определенного уровня или до разрушения образца. Сигнал управления подается на исполнительный силовой привод нагружения 4 по линии 21. Обратная связь управления по силе подается на блок - систему управления 11 с блока измерения силы 10 по линии 20. При работе блок - системы управления 11 в режиме управления по перемещению подвижной плиты 6 обратная связь по скорости перемещения поступает в блок-систему управления 11 от датчика перемещения 8 по линии 22.

Сигналы от отдельных тензоэлектрических датчиков силы тензоэлектрического датчика силы 5 по линиям связи 13-16 передаются на блок измерения силы 10.

Блок измерения силы 10 вычисляет среднее значение сигналов группы тензоэлектрических датчиков силы, разности максимального и минимального значений сигналов тензоэлектрических датчиков силы и суммарное значение сигналов тензоэлектрических датчиков силы в цифровом значении и передает по линиям связи 17-19 ЭВМ 12, которая вычисляет степень неравномерности нагружения образца и предел прочности на сжатие материала испытываемого образца с учетом фактической площади поперечного сечения.

Машина испытательная для механических испытаний строительных материалов на сжатие, включающая нагружающее устройство, состоящее из основания, колонн, траверсы, подвижной и неподвижной плит сжатия, силового привода нагружения (электрогидравлического или электромеханического), тензоэлектрического датчика силы, датчика перемещения подвижной плиты, блока измерения силы, блок-системы управления нагружением или перемещением подвижной плиты и ЭВМ, отличающаяся тем, что тензоэлектрический датчик силы выполнен в виде группового тензоэлектрического датчика силы, представляющего собой устройство, непосредственно соприкасающееся с опорной поверхностью испытываемого образца материала и состоящее из двух плит, одна из которых является нижней подвижной плитой нагружающего устройства машины, между которыми равномерно расположена группа метрологически идентичных и механически и электрически независимых тензоэлектрических датчиков силы, соединенных с блоком измерения силы, имеющим три выхода: в виде среднего значения сигналов группы тензоэлектрических датчиков силы, разности максимального и минимального значений сигналов тензоэлектрических датчиков силы и суммарного значения сигналов тензоэлектрических датчиков силы, по которым ЭВМ вычисляет степень неравномерности распределения нагрузки по поверхности испытываемого образца материала и предел прочности на сжатие с учетом фактической площади поперечного сечения образца по формулам δ_p=P_max-P_min/P_cp; σ_в=РΣ/F·(1-δ_р); где δ_р - степень неравномерности распределения нагрузки по поверхности испытываемого образца материала; Р_mах - максимальное значение сигналов тензоэлектрических датчиков силы; P_min - минимальное значение сигналов тензоэлектрических датчиков силы; Р_cр - среднее значение нагрузки на один тензоэлектрический датчик силы; РΣ- значение нагрузки, определенной по сумме сигналов всей группы тензоэлектрических датчиков силы; F - площадь поперечного сечения испытываемого образца; (1-δ_р) - степень равномерности распределения нагрузки по поверхности испытываемого образца и σ_в - напряжение, определяющее действительный предел прочности материала образца на сжатие.