СПОСОБ И УСТАНОВКА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ СКОРОСТИ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ФОРМЫ ЭЛАСТИЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
METHOD AND  ASSEMBLY FOR MEASURING THE SPEED OF RESTORING ELASTIC ELEMENTS

Группа изобретений относится к методам исследования упругих свойств эластичных элементов, в частности, уплотнительных резиновых колец. Предлагаемая группа изобретений может найти применение при прогнозировании сохранения качества и работоспособности эластичных элементов, таких как детали из резин и других эластичных материалов.
Для герметизации разъемных стыков в емкостях высокого давления широкое распространение имеют уплотнительные соединения типа ГОСТ 9833-73 с эластичными резиновыми кольцами. Такие же уплотнительные элементы могут использоваться и в корпусах различных видов энергетических установок на твердом топливе. Отличительной особенностью нагружения таких емкостей внутренним давлением является высокая скорость его нарастания: 200…500 МПа/с. Под воздействием внутреннего давления газов, составляющего 10…30 МПа, происходит деформация силовой оболочки корпуса в целом и посадочных мест уплотнительных элементов в частности. В силу того, что изменение абсолютного размера внешней части стыка, герметизируемого радиальным уплотнением, как правило, превышает изменение внутренней его части, происходит увеличение или раскрытие уплотняемого зазора. Задача эластичного уплотнительного кольца, находившегося в предварительно деформированном состоянии в посадочном месте, - максимально быстро, восстановив свою форму до новых габаритов, заполнить раскрывшийся зазор. Указанная техническая проблема дополнительно может быть усугублена длительным временем пребывания эластичного кольца в деформированном состоянии в посадочном месте с воздействием на него циклических перепадов температур. Данное обстоятельство приводит к известному эффекту старения материала кольца с потерей эластичности, что в совокупности с приведенной выше высокой скоростью нагружения давлением емкости, а, следовательно, и ее деформацией, может приводить к протоку через стык высокоэнтальпийного газа, вызывающего лавинообразый эффект разгара и разрушения емкости.
Методику и указания по измерению остаточной деформации резинового уплотнения содержит ГОСТ 18829-73 «Кольца резиновые уплотнительные круглого сечения для гидравлических и пневматических устройств» (см. приложение 4). Однако, измерение остаточной деформации по данному нормативному документу проводится лишь спустя 30 минут после снятия с образцов деформирующей нагрузки. Результаты данных измерений показывают только величину остаточной деформации и не дают представления о скорости восстановления формы образца в первые 0,01…0,05 с после снятия нагрузки, что важно для оценки работоспособности кольца при большой скорости деформации уплотнительного узла.
В изобретении по патенту RU 2234072 C2, 10.08.2004 предлагается способ ускоренных ресурсных испытаний эластичных кольцевых уплотнений трубопроводов с методикой оценки результатов испытаний, основанной на сопоставлении перечисляемых далее характеристик материала уплотнения до и после воздействия усталостных факторов: условная прочность при растяжении, относительное удлинение при разрыве, твердость по Шору, температурный предел хрупкости. Косвенно по изменению данного набора параметров можно судить о качественной деградации свойств уплотнительного элемента, но для решения задачи обеспечения герметичности стыков оболочек, характеризующихся большой скоростью деформации, требуются количественные значения скорости восстановления формы уплотнительного элемента с точностью, которую невозможно обеспечить пересчетом измеряемых в данном методе характеристик.
Известно устройство, представленное в патенте RU 127934 U1, 10.05.2013, предназначенное для закрепления образцов резины при его ускоренных ресурсных испытаниях. Особенностями устройства являются обеспечение беспрепятственного газообмена, необходимого для воспроизведения в моделирующем термостате реальных условий работы материала, а также закрепление образцов, допускающее их расширение при протекании термомеханических и теплофизических процессов в материале. Недостатками данного устройства является невозможность равномерного обжатия образцов кольцевых уплотнений и отсутствие средств для контроля величины деформации образца.
Известен оригинальный метод оценки качества полимерных уплотнений, представленный в патенте US 7475600 B2 от 13.01.2009, заключающийся в изучении формы пятна контакта уплотнительного элемента с плоскими параллельными поверхностями, деформирующими уплотнитель. Одна из деформирующих плоскостей выполняется прозрачной, что позволяет произвести снимок пятна контакта для дальнейшего анализа. Достоинством данного метода является высокая чувствительность к дефектам различного происхождения, таким как несимметричность формы уплотнителя, дефекты наружной поверхности элемента, наличие внутренних несплошностей, включений, неоднородности свойств материала. Однако, данный метод позволяет оценивать только статические параметры уплотнений и неинформативен в части свойств уплотнения при значительных скоростях деформации.
Наиболее близким аналогом предлагаемой группы изобретений являются способ оценки старения смол и установка для осуществления этого способа, представленные в опубликованной заявке US 5708224 А, 13.01.1998. Установка содержит удерживающий узел, нагружающий узел и средства измерения. Сущность известного способа заключается в том, что цилиндрические образцы смолы размещают в удерживающем узле, нагружают заданным усилием с одновременным измерением деформации образца. Величина деформации за заданный отрезок времени (10-30 секунд), фиксируемая по сигналу таймера, принимается в качестве критерия старения смолы. Недостатком установки является отсутствие возможности ограничить деформацию образца заданным значением и быстро снять нагрузку с образца. Вместе с тем, предлагаемый способ неприменим для оценки скорости восстановления формы эластичного уплотнения, так как позволяет произвести только единственное измерение толщины образца в заданный момент времени в процессе его деформирования.
Задачей, на решение которой направлена предлагаемая группа изобретений, является создание новых способа и установки для измерения скорости восстановления формы эластичных элементов, которые позволяют получать достоверные данные, используемые в дальнейшем для оценки работоспособности уплотнительных колец при большой скорости деформации уплотнительного узла в длительно эксплуатируемых установках с высоким темпом роста давления.
Технический результат предлагаемой группы изобретений заключается в обеспечении возможности определения скорости восстановления формы образца эластичного элемента в первые сотые доли секунды после снятия нагрузки.
Для решения задачи и достижения технического результата предлагается установка для измерения скорости восстановления формы эластичных элементов, содержащая удерживающий узел, нагружающий узел и средства измерения. При этом удерживающий узел выполнен в виде разборного стакана, включающего обойму и дно, причем стакан снабжен крышкой с выступом для фиксации образцов эластичных элементов в нем. Причем нагружающий узел выполнен с возможностью передачи усилия на крышку стакана, а средства измерения содержат датчик перемещения, измеряющий относительное положение стакана и крышки, и систему записи показаний датчика по времени.
Обойма и дно стакана могут быть соединены по резьбе.
Удерживающий узел быть может установлен на раме.
Нагружающий узел может содержать пневмоцилиндр или электромагнитный замок.
Датчик перемещения представляет собой стрелочный индикатор, а система записи показаний датчика по времени содержит цифровую видеокамеру.
Предложен также способ измерения скорости восстановления формы эластичных элементов, в котором образцы эластичных элементов размещают в удерживающем узле и нагружают, затем снимают нагрузку и проводят измерения. При этом проводят измерения скорости восстановления формы образцов посредством видеозаписи стрелочного индикатора с частотой кадров, обеспечивающей требуемое временное разрешение. Затем осуществляют покадровый анализ видеозаписи с соотнесением времени кадра и зафиксированным на нем показанием стрелочного индикатора.
На Фиг. 1 схематично представлена установка для измерения скорости восстановления формы эластичных элементов.
На Фиг. 2 представлены типичные результаты обработки измерений, выполненных с использованием установки, выраженные в виде графика зависимости линейной величины деформации образца (δ, мм) от времени (t, с).
Предлагаемая установка (Фиг. 1) содержит раму 1, на которой установлен удерживающий узел 2, выполненный в виде разборного стакана, включающего дно 6 и обойму 7, а также снабженного крышкой 5 с выступом для фиксации образцов 8 эластичных элементов в нем, пневмоцилиндр 3, ограничивающий перемещение образцов 8 до начала измерений. Крышка 5 воспринимает усилие от штока пневмоцилиндра 3 и передает ее образцам, размещенным на дне 6 стакана. Средства измерения содержат датчик перемещения, измеряющий относительное положение стакана и крышки 5, например, стрелочный индикатор 4, и систему записи показаний датчика по времени, содержащую, например, цифровую видеокамеру. Неподвижное дно 6 и подвижная обойма 7 соединены по резьбе для обеспечения поступательного движения и задания начальной деформации образцам 8, при взаимном вращении дна 6 и обоймы 7 может быть реализована необходимая глубина стакана, а, следовательно, и начальная деформация образцов 8. В качестве альтернативы пневмоцилиндру 3 для создания и безинерционного снятия нагружающего усилия может быть использован электромагнитный замок.
Способ с использованием одного из вариантов предлагаемой установки осуществляется следующим образом. В удерживающий узел 2 на дно стакана укладывают образцы 8 уплотнительного кольца в количестве не менее двух. Стакан закрывают крышкой 5, задают начальную деформацию образцам 8 при помощи дна 6 и обоймы 7, предварительно образцы 8 могут быть подвергнуты ускоренному старению, например, попеременным термоциклированием. В дальнейшем удерживающий узел 2 устанавливают на раму. При этом нагружение образцов 8 поддерживается за счет упора штока пневмоцилиндра 3 в крышку 5 стакана. В контакт с крышкой 5 стакана приводится шток стрелочного индикатора 4. Включают цифровую видеокамеру и ведут видеозапись показаний стрелочного индикатора 4, с частотой кадров, обеспечивающей требуемое временное разрешение для получения точных измерений по времени, например, 1200 кадров в секунду. Затем производится интенсивный сброс давления из пневмоцилиндра 3 с одновременным нагнетанием воздуха под его поршень, что позволяет резко разгрузить образцы 8, избегая влияния на процесс восстановления их формы. В заключении производится покадровый анализ видеозаписи с соотнесением времени кадра и зафиксированным на нем показанием стрелочного индикатора 4.
Полученные при помощи предлагаемой группы изобретений данные в дальнейшем используются при прогнозировании качества и работоспособности уплотнительных колец, работающих в длительно эксплуатируемых установках с высоким темпом роста давления.
Предлагаемые установка и способ были созданы и использованы в практической деятельности предприятия.