ПРИСПОСОБЛЕНИЕ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ ДЕФОРМИРОВАНИЯ РЕЗИНОПОДОБНЫХ МАТЕРИАЛОВ ПРИ ИЗМЕНЕНИИ ТЕМПЕРАТУРЫ
DEVICE FOR INVESTIGATION OF DEFORMATION PROCESSES OF RUBBER-LIKE MATERIALS AT TEMPERATURE CHANGE

Приспособление для исследования процессов деформирования резиноподобных материалов при изменении температуры.
Изобретение относится к машиностроению, к испытательной технике, служит для исследования процессов деформирования резиноподобных материалов при изменении температуры.
Повышение температуры (в определенных пределах) полимерных материалов обычно ускоряет процессы ползучести и релаксации. Но у образцов из резиноподобных материалов наблюдаются отклонения от этой закономерности. Известен, так называемый, эффект Гуха-Джоуля. Этот эффект, в частности, проявляется в том, что растянутая резина при нагревании стремится сократить свою длину. В разных изданиях используются разные наименования этого эффекта (часто описывают этот эффект без наименования).
Этот эффект описан, в частности, в работах:
1. Фейнман Р., Лейтон Р., Сэндс М. Фейнмановские лекции по физике. 3: излучение, волны, кванты; 4: кинетика, теплота, звук. М.: Мир, 1976, 496 с. (См. стр. 333-336)
2. Трилор Л. Введение в науку о полимерах. Пер. с англ. М.: Мир, 1973, 240 с. (См. стр. 46-49)
3. Сивухин Д.В. Общий курс физики. Т.Н. Термодинамика и молекулярная физика. 3-е изд., испр. и доп. М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит. 1990, 592 с. (См. стр. 172)
4. Архаров A.M., Марфенина И.В., Микулин Е.И. Криогенные системы: Основы теории и расчета. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Машиностроение, 1988, 464 с. (См. стр. 189)
5. Гросберг А.Ю., Хохлов А.Р. Физика в мире полимеров. М.: Наука, 1989, 208 с. (См. стр. 105-107)
6. Гросберг А.Ю., Хохлов А.Р. Полимеры и биополимеры с точки зрения физики. 2-е изд. Долгопрудный: Издательский Дом «Интеллект», 2014, 304 с. (См. стр. 138-140).
7. Леенсон И.А. Как и почему происходят химические реакции. Элементы химической термодинамики и кинетики. Долгопрудный: Издательский Дом «Интеллект», 2010, 224 с. (См. стр. 64.)
Кроме того, данные о поведении резиноподобных материалов в зависимости от продолжительности воздействия нагрузки приведены, в частности, в следующих работах:
8. Сазонов В.Г. Особенности деформирования полиуретана при нестандартных условиях нагружения. //Журнал: Полиуретановые технологии. 2009, №3(22), с. 30-34.
9. Даштиев И.З. Ползучесть, релаксация и диссипативные свойства полиуретановых эластомеров. //Журнал: Полиуретановые технологии. 2005, №1, с. 7-9.
10. Димитриенко Ю.И. Нелинейная механика сплошной среды. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2009, 624 с. (См. на стр. 502, рис. 7.5. График релаксации напряжений при деформации 8,3%)
11. Димитриенко Ю.И. Механика сплошной среды: учеб. пособие в 4 т. Т.4: Основы механики твердых сред. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2013, 624 с. (См. на стр. 412, рис. 4.4.2. График релаксации напряжений полиуретана при деформации 8,3%)
Теоретическое обоснование этих особенностей приведено, в частности, в книге: Аскадский А.А., Попова М.Н., Кондращенко В.И. Физико-химия полимерных материалов и методы их исследования. М.: Издательство АСВ, 2015,408 с. (См. стр. 30-37)
В [4] (стр. 189) сказано, что металлы при растяжении охлаждаются, а резина ведет себя иначе, она нагревается.
Часто описывается этот эффект, но не приводится каких-либо количественных данных, характеризующих это явление.
В книге [1], (см. стр. 335 и 336), на вопрос: можно ли построить машину, в которой используются тепловые свойства резины, сказано следующее. Для этого можно немного усовершенствовать велосипедное колесо, вставив туда резиновые спицы. Если с помощью двух ламп накаливания нагреть резину на одной стороне колеса то она станет «сильнее», чем ненагретая резина на другой стороне. Центр тяжести колеса сдвинется и отойдет от точки опоры. Колесо повернется. После поворота холодные резиновые спицы пододвинутся поближе к теплу, а нагретые уступят им свое теплое место и остынут. И колесо будет медленно вращаться, пока будут гореть лампы. «Коэффициент полезного действия такой машины чрезвычайно мал. Для вращения колеса едва хватает содержащейся в двух лампах мощности около 400 Вт, а способно оно поднять лишь блоху».
Но надо заметить, что при определенных условиях могут проявляться заметные силы. В некоторых странах колесные пары вагонов метро оборудованы «резинометаллическими» буксами (это «слоистое» образование - слой резины, слой из листа стали, слой резины, слой из листа стали и т.д.). Проводились исследования с целью оценки возможности применения таких букс в климатических условиях г. Москва. Среди других исследований было исследование влияния изменения температуры на «осадку» вагона. В боксе с вагоном за ночь была поднята температура примерно на 30°С. Замеры показали, что вагон приподнялся примерно на 10 мм. Ожидалось, что при повышении температуры резиноподобный материал станет более податливым и вагон опустится. Но оказалось, что вагон поднялся примерно на 10 мм. Этот экспериментальный факт может быть объяснен проявлением эффекта Гуха-Джоуля.
В [8] (см. стр. 30-31) получено, что у полиуретана модуль ползучести (и модуль релаксации) может быть представлен в виде:
где время t измеряется в секундах. (Получено, что у полиуретана, твердость которого около 97 ед. IRHD, Е(1 сек.)=55 МПа).
Причем у полиуретанов разной твердости Е(1 сек.) имеет разное значение, а величина Z характеризуется одним и тем же числом:
Модуль ползучести и модуль релаксации (получаемый при испытаниях на релаксацию) имеют близкие значения. Испытания образцов полиуретана показали, что соотношение (1) имеет место в широком диапазоне значений lg(t):
1≤lg(t)≤7
(lg(t)=7 при времени ≈ 116 суток).
Если аппроксимировать соотношением (1) при Z=0,04242 (см. (2)) зависимости от времени модуля, приведенные в работах [9], [10] (см. стр. 502), [11] (см. стр. 412), то получается близкое совпадение теоретической и экспериментальной кривой. Причем следует заметить, что экспериментальная кривая, представленная в [9], заканчивается при lg(t)≈7 (t в секундах).
Таким образом, если образец из полиуретана находится в нагруженном состоянии более суток, а изменение температуры образца осуществляется менее, чем за 1 час, то можно считать, что на изменение деформации фактор времени почти не влияет, а изменение деформации будет обусловлено, в основном, только изменением температуры.
Известно приспособление (см. рис. 4.42 а) на стр. 160 в книге Грелль-манн В., Зайдлер С.Испытания пластмасс. Пер. с англ. под ред. А.Я. Малки-на. СПб.: ЦОП «Профессия», 2010, 720 с. //В этой книге в одном месте написано Грелльманн В., в другом месте - Грэлльманн В.//), содержащее две опоры для размещения на них образца, предназначенного для испытаний при трехточечном изгибе. Причем одна опора неподвижно связана с основанием, а другая опора является «роликовой» опорой. Она может с малыми силами трения перемещаться по горизонтальному основанию.
Совпадающими признаками этого приспособления и заявляемого приспособления являются следующие. Приспособление имеет две опоры. Причем в процессе нагружения расстояние между опорами может меняться, не создавая дополнительной нагрузки на образец в горизонтальном направлении.
Недостатки этого приспособления заключаются в следующем. При испытаниях на изгиб образцов из податливых (например, резиноподобных) материалов ожидаются большие прогибы и образец может «скользить» относительно опор. А это приспособление не имеет устройств, препятствующих «скольжению» образца относительно опор. Причем, при больших прогибах, зона приложения нагрузки и средняя нижняя часть образца, по которой замеряют прогиб образца, будет смещаться не строго вертикально вниз, а также будет смещаться «в сторону» относительно основания (т.к. одна опора неподвижно связана с основанием, а только одна опора может смещаться относительно основания). Такое смещение «в сторону» (а не строго по вертикали) создает неудобства при замере прогиба.
Известно приспособление (см. рис. 4.43 а) на стр. 162 в книге: Грелль-манн В., Зайдлер С.Испытания пластмасс. Пер. с англ. под ред. А.Я. Малкина. СПб.: ЦОП «Профессия», 2010, 720 с. //В этой книге в одном месте написано Грелльманн В., в другом месте - Грэлльманн В.//), это приспособление принято в качестве прототипа. Это приспособление содержит две опоры для размещения на них образца, предназначенного для испытаний при трехточечном изгибе. Причем эти опоры можно смещать относительно основания.
Совпадающими признаками этого приспособления и заявляемого приспособления являются следующие. Приспособление имеет две опоры. Причем в процессе нагружения расстояние между опорами может меняться. Причем могут смещаться в горизонтальном направлении обе опоры, так что зона приложения нагрузки и средняя нижняя часть образца, по которой замеряют прогиб образца, будут смещаться строго вертикально вниз.
Недостатки этого приспособления заключаются в следующем. При испытаниях на изгиб образцов из податливых (например, резиноподобных) материалов ожидаются большие прогибы и образец может «скользить» относительно опор. Это приспособление не имеет устройств, препятствующих «скольжению» образца относительно опор. Причем, для обеспечения того, чтобы зона приложения нагрузки и средняя нижняя часть образца, по которой замеряют прогиб образца, перемещались бы строго вертикально вниз, требуется перемещать по горизонтали обе опоры на равное расстояние. А при ползучести материала образца периодически смещать эти опоры.
Задача изобретения заключается в том, чтобы образец скрепить с опорами и при этом обеспечить свободное смещение опор в горизонтальном направлении при ползучести исследуемого материала.
Эта задача решается следующим. Используют приспособление, которое позволяет проводить следующие операции с образцом. В зоне «опор» образец несколько раз оборачивается гибкой, прочной, жесткой на растяжение нитью. Образец «подвешивают» на длинных, легких, жестких на растяжение тягах (например, длина тяги больше или равна половине длины рабочей части образца). Эти тяги одним концом шарнирно крепятся к ползунам, которые могут смещаться по горизонтальному основанию; другим концом скрепляются с жесткой на растяжение нитью, которой несколько раз обмотан образец.
Сущность изобретения заключается в том, что приспособление представляет собой горизонтально расположенное основание, вдоль которого могут смещаться ползуны, на которых размещены элементы для шарнирного крепления тяг, к другим концам которых крепятся жесткие на растяжение нити, которыми несколько раз обмотан образец.
Технический результат изобретения заключается в следующем. Исключается проскальзывание опор относительно образца. При ползучести материала образца обеспечено свободное смещение зон крепления образца в горизонтальном направлении, при этом в образце не возникает заметных усилий в горизонтальном направлении.
На фиг. 1 показан общий вид устройства с размещенным («подвешенным» на тягах 6 и 7) образцом 1, но без приложенной нагрузки (см. груз 15 на фиг. 2).
На фиг. 2 показаны не все детали, но показан изогнутый грузом 15 образец 1. Когда подвешивается груз 15, образец 1 изгибается, при этом тяги 6 и 7 отклоняются от вертикали и в зонах «подвески» образца появляются горизонтальные составляющие нагрузки. Чтобы уменьшить влияние горизонтальных составляющих нагрузки, ползуны 8 и 9 смещают по горизонтали вдоль направляющей 10, чтобы тяги 6 и 7 приняли вертикальное (или почти вертикальное) положение.
На фигурах обозначено:
1 - испытуемый образец.
2 - нить, закрепленная на концевой части образца 1.
3 - нить, закрепленная на другой концевой части образца 1.
Нити 2 и 3 высокопрочные, гибкие, жесткие на растяжение. Чтобы нити 2 и 3 не скользили относительно образца 1, они несколько раз (например, три раза) оборачиваются вокруг образца 1, эти нити завязывают узлами, чтобы нити 2 и 3 не скользили вдоль образца 1; кроме того, на этих нитях делают «петли», чтобы за эти петли можно было зацепить тяги 6 и 7. Вместо нитей 2 и 3 можно использовать жесткие детали, охватывающие образец 1, при этом, надо, чтобы эти детали не смещались вдоль образца 1.
4 - шарнир в виде жесткой петли жестко скрепленный с ползуном 8.
5 - шарнир в виде жесткой петли жестко скрепленный с ползуном 9.
6 - тяга, шарнирно скрепленная с деталью 4 и нитью 2, которая служит для «подвешивания» образца 1.
7 - тяга, шарнирно скрепленная с деталью 5 и нитью 3, которая служит для «подвешивания» образца 1.
8 - ползун, который может поступательно перемещаться в горизонтальном направлении вдоль направляющей 10, и на котором жестко закреплена деталь 4, обеспечивающая шарнирное крепление тяги 6.
9 - ползун, который может поступательно перемещаться в горизонтальном направлении вдоль направляющей 10, и на котором жестко закреплена деталь 5, обеспечивающая шарнирное крепление тяги 7.
10 - направляющая, вдоль которой могут смещаться ползуны 8 и 9.
11 - деталь, связанная с направляющей 10. Фактически на фиг. 1 показан «разрез», чтобы наглядно было видно положение ползунов 8 и 9. Направляющая 10 и деталь 11 могут быть стенками профиля коробчатого сечения, у которого внизу сделана продольная прорезь, вдоль этой прорези перемещаются жесткие детали 4 и 5, установленные соответственно на ползунах 8 и 9.
12 - стойка; стойка 12 жестко скреплена с деталью 11. В верхней части стойки 12 сделано отверстие, чтобы можно было устройство «подвешивать» на гвоздь.
13 - линейка с делениями; линейка 13 жестко скреплена со стойкой 12. По линейке 13 замеряется прогиб образца.
14 - подвес; подвес 14 служит для передачи нагрузки от груза 15 на образец 1.
15 - груз, подвешиваемый на подвесе 14.
Испытания заключаются в следующем. В выбранных зонах образца 1 «наматывают» (несколько раз обматывают вокруг образца 1) нити 2 и 3, чтобы эти нити крепко держались на образце 1 и чтобы образовались петли, удобные для зацепления тяг 6 и 7. Устанавливают образец 1 (см. фиг. 1) так, чтобы тяги 6 и 7 располагались по вертикали. (Для заданной длины рабочей части образца 1, смещая ползуны 8 и 9, подбирают расстояние между ползунами 8 и 9, при котором тяги 6 и 7 располагаются вертикально или почти вертикально.) «Подвешивают» груз 15 (см. фиг. 2) и замеряют наименьшее расстояние между нитями 2 и 3 в зонах контакта этих нитей с образцом 1. Затем груз 15 убирают. Делается выдержка, чтобы образец 1 «вернулся» к своему прежнему положению (обычно бывает достаточна выдержка 30 минут). Смещают ползуны 8 и 9 вдоль направляющей 10 так, чтобы расстояние между центральными частями шарниров 4 и 5 равнялось бы замеренному выше расстоянию между зонами крепления нити 2 и нити 3 к образцу 1. По линейке 13 отмечается положение образца 1. Подвешивают груз 15. Периодически замеряют прогиб: делают замеры, например, через 10 сек, 60 сек, 100 сек, 10 мин, 60 мин, 2 часа, 3 часа, 4 часа после нагружения образца 1 (затем обычно проводятся замеры один раз в рабочий день, при этом следует фиксировать температуру в помещении. //Эти периодические замеры в начальный период нагружения проводятся с целью выявления закономерностей типа (1), а также для того, чтобы убедиться, что замеры перемещений почти «стабилизировались».// При необходимости проводится корректировка положения ползунов 8 и 9, чтобы тяги 6 и 7 располагались бы почти вертикально, а положение центральной части образца 1 было бы удобным для замера по линейке 13 вертикального смещения центральной части образца 1.
На следующие сутки (или через несколько суток), когда с течением времени прогиб будет изменяться за 1 час почти незаметно, приступают к замерам перемещений при изменении температуры. Эти работы лучше проводить в зимний период, когда, открывая и закрывая окно, можно заметно изменить температуру окружающей среды в зоне расположения образца (или, например, нагруженный образец вынести на улицу).
Для удобства на образце 1 следует провести линию, делящую (по длине) образец на две равные части, а также провести линии, указывающие зоны установки нитей 2 и 3.
Например, испытывался образец квадратного сечения 20×20 мм; материал - полиуретан, твердость 60 ед. (Шор А); длина рабочей части образца 300 мм; груз 15 был массой 1 кг. Величины замеренных изменений прогиба указаны в таблице
Выше в таблице указаны следующие замеренные и вычисленные величины: Т - температура в помещении, °С; U - замер положения точки подвеса массы m; ΔU - перемещение по вертикали массы m; А - работа по поднятию груза массой m=1 кг.
Работа А по поднятию груза 15 массой m будет равна
А=m×g×ΔU.
2
Чтобы работа А выражалась в Джоулях, следует массу m выражать в кг, ΔU выражать в метрах; g=9,81 м/с - ускорение свободного падения.
В наиболее изогнутой части образца был замерен радиус кривизны наружной поверхности образца, он равнялся r≈126 мм. Деформация растяжения в этой зоне образца может быть вычислена по соотношению:
т.е. деформация примерно равна 8,6%. (Здесь r=126 мм; h=20 мм - высота сечения образца.)
Следует заметить, что тепловая энергия, требуемая для нагрева образца, скажем на 10°С, на несколько порядков превосходит работу А.
3
3
3
Пусть удельная теплоемкость полиуретана равна С=1,8 кДж/(кг×К) (1,8 Дж/(г×К)); плотность равна ρ=1,2×10 кг/м (1,2 г/см).
2
Объем рабочей части образца сечением 2×2 см; длиной 30 см равен:
3
V=2×2×30=120 см.
1
Масса рабочей части образца равна: m=ρ×V=1,2×120=144 г.
Тепловая энергия, требуемая для нагрева этого образца на ΔT=10°С, будет равна
1
Q=C×m×ΔT≈1,8×144×10≈2592 Дж.
Таким образом, предлагаемое приспособление для исследования процессов деформирования резиноподобных материалов при изменении температуры, содержит два ползуна, которые могут смещаться вдоль горизонтального основания. Причем к этим ползунам прикреплены детали, на которых базируется исследуемый образец, предназначенный для испытаний при трехточечном изгибе. Ползуны снабжены деталями для шарнирного крепления к ним длинных, легких, жестких на растяжение тяг. Кроме того, приспособление содержит два куска гибкой, прочной, жесткой на растяжение нити, которые предназначены для того, чтобы несколько раз обматывать образец и зацепляться с другим концом тяги. А для нагружения образца, при его изгибе, в центральной части образца устанавливают подвес для подвешивания груза заданной массы. Таким образом, система представляет собой подвешенный образец, нагруженный грузом, подвешенным в центральной части образца.
Итак, приспособление содержит два ползуна, которые могут смещаться вдоль горизонтального основания; тяги, которые служат для подвешивания образца, являются длинными, приспособление содержит два куска гибкой, прочной, жесткой на растяжение нити, которые предназначены для того, чтобы несколько раз обматывать образец, исключая проскальзывание этих нитей относительно образца, а то, что тяги длинные и шарнирно закреплены обуславливает тот факт, что не возникает заметных усилий в образце в горизонтальном направлении. В этом проявляется причинно-следственная связь между задачей изобретения и техническим результатом изобретения.