Устройство для испытания волокон и нитей на растяжение

Полезная модель относится к области текстильного материаловедения, а именно к устройствам для определения разрывных характеристик волокон и нитей.
Известные конструкции устройств для стандартного испытания волокон и нитей на растяжение в основном обеспечивают условия разрыва при скорости перемещения активного захвата до 200 мм/мин [1]. Между тем известно, что в условиях получения и переработки волокон и нитей характер их нагружения иной. Частота изменения фактически формирующихся в технологических процессах сил, скоростей, ускорений и перемещений нити относительно рабочих органов перерабатывающих машин позволяют заключить о более динамичных нагружениях [2]. Такое несоответствие условий лабораторных испытаний и фактических нагружений приводит к снижению информативности получаемых результатов анализа.
На практике известны устройства для испытания волокон и нитей на растяжение, обеспечивающие определение усилия до и в момент разрыва образца и его деформацию при повышенных скоростях нагружения [3]. Однако их применение не позволяет учитывать особенности разрушения, происходящие от момента достижения максимальной нагрузки до полного разрушения образца, которое, как правило, происходит при меньшей нагрузке после достижения максимального разрывного усилия.
Поэтому для решения этой проблемы целесообразно использовать динамические испытания, обеспечивающие учет нагрузки до полного разрушения испытываемого образца волокон и нитей.
В этой связи известна конструкция устройства для испытания волокон и нитей на растяжение, содержащая станину, закрепленный на оси боек с возможностью его вращательного движения под действием своей силы тяжести, фиксатор начального положения бойка, измерительный узел и зажимы для испытываемого образца, один из которых подвижный и закреплен на конце бойка, а другой жестко связан со станиной [4].
Недостатком этой конструкции является возможность определения только одной разрывной характеристики - работы разрыва. Однако известно, что данная характеристика определяется двумя параметрами, а именно формирующейся при разрыве силой и деформацией испытываемого образца. Таким образом, при известном значении работы разрыва возникает неопределенность в части причины ее формирования: либо за счет силы, либо за счет деформации (удлинения) образца волокон или нитей. Иными словами, известная конструкция [4] не обеспечивает требуемую информативность результатов анализа.
Кроме этого, к недостаткам известного устройства следует отнести сложность его конструкции. Это объясняется наличием дополнительных элементов, требующих узлов вращения, что вызывает не учитываемые потери энергии при испытании. Наличие таких дополнительных не учтенных потерь энергии снижает точность результатов анализа.
Недостатком также является отсутствие элементов конструкции, обеспечивающих принудительное торможение бойка без участия рук оператора. Этот недостаток снижает вероятность безопасного испытания и повышает продолжительность анализа.
Однако, по своей технической сущности и достигаемому результату данное устройство является наиболее близким к заявляемому и поэтому оно может быть выбрано в качестве прототипа.
Технической задачей предлагаемой полезной модели является повышение информативности и точности результатов анализа, снижение его продолжительности и безопасности.
Поставленная задача достигается тем, что в устройстве для испытания волокон и нитей на растяжение, содержащем станину, закрепленный на оси боек с возможностью его вращательного движения под действием своей силы тяжести, фиксатор начального положения бойка, измерительный узел и зажимы для испытываемого образца, один из которых подвижный, а другой установлен на станине, согласно полезной модели, боек закреплен на оси вращения, с которой связан датчик угла ее поворота, а измерительный узел состоит из блока обработки сигналов от датчика угла поворота оси и блока их сопряжения со счетчиком времени ЭВМ.
Кроме этого, зажим, установленный на станине, может закрепляться на разном расстоянии от подвижного зажима в момент начального положения бойка, а между станиной и нижним краем бойка в момент его начального положения расположена при консольном закреплении гибкая пластина, имеющая возможность соприкасаться с поворотным кулачком узла для ее принудительного прогиба и торможения бойка после испытания.
Использование измерительного узла, состоящего из датчика угла поворота оси, блока обработки сигналов от этого датчика и их сопряжения со счетчиком времени ЭВМ позволяет повысить информативность результатов анализа путем определения работы разрыва и разрывного усилия. Такой результат будет достигаться на основе определения изменения угловой скорости бойка во время испытания. По величине изменения скорости, используя законы механики, можно (при известных режимно-конструктивных параметров устройства) оценить ускорение и усилие, возникающее именно в момент достижения максимального разрывного усилия при разрыве испытываемого образца. Наличие датчика угла поворота оси позволяет оценить разницу начального углового отклонения оси и конечного (после разрыва образца). Величина этой разницы и иные известные параметры бойка (масса, положение центра тяжести) позволяют рассчитать работу разрыва образца.
Наличие зажима, установленного на станине и имеющего возможность закрепляться на разном расстоянии от подвижного зажима в момент начального положения бойка расширяет возможности испытания волокон и нитей, которые испытываются при разных межзажимных расстояниях. При этом обеспечивается условие для испытания образцов при равной начальной скорости нагружения.
Расположение между станиной и нижним краем бойка в момент его начального положения гибкой пластины при ее консольном закреплении и имеющей возможность соприкасаться с поворотным кулачком узла для ее принудительного прогиба и торможения бойка после испытания, обеспечивает безопасность испытания. Это будет происходить за счет исключения условий останова бойка до его неподвижного состояния, путем соприкосновения с ним рук оператора, что также будет способствовать сокращению продолжительности анализов.
Сущность полезной модели поясняется на чертежах.
На фиг. 1 изображена схема устройства для испытания волокон и нитей на растяжение.
На фиг. 2. изображен вид сбоку (вид А): взаиморасположение рабочих органов устройства.
Устройство для испытания волокон и нитей на растяжение (фиг. 1, 2) содержит станину 1, закрепленный на оси 2 боек 3 с возможностью его вращательного движения под действием своей силы тяжести, фиксатор 4 начального положения бойка, зажимы 5 и 6 для испытываемого образца 7, один из которых 5 подвижный. Боек 3 выполнен в виде маятника с закрепленным зажимом 5 для испытываемого образца 7. Кроме этого, устройство содержит блок обработки сигналов 9 от датчика угла поворота оси 10 и их сопряжения со счетчиком времени ЭВМ, которая может работать в сопряжении с предлагаемым устройством при испытании.
В предлагаемом устройстве зажим 6, установленный на станине, может закрепляться на разном расстоянии Б от подвижного зажима 5 в момент начального положения бойка, а между станиной и нижним краем бойка в момент его начального положения расположена при консольном закреплении гибкая пластина 11, соприкасающаяся с поворотным кулачком 12 узла 13 для ее прогиба и для принудительного торможения бойка после испытания.
Устройство для испытания волокон и нитей на растяжение работает следующим образом.
Подготовленный, например, по ГОСТ 10330-76 образец волокна 7 закрепляют в зажимы 5 и 6 при межзажимном расстоянии Б, равном 100 мм. При этом боек 3 располагается так, что его центр тяжести находится на минимальном расстоянии от станины. Далее боек отклоняют относительно оси вращения и закрепляют фиксатором 4. Посредством ЭВМ включают блок обработки сигналов 9 от датчика угла поворота оси 10. Обработка этих сигналов в блоке 9 сопрягается со счетчиком времени ЭВМ.
После этого посредством фиксатора 4 боек 3 освобождают от закрепления. Боек начинает перемещаться под действием своей силы тяжести, приобретая кинетическую энергию. При этом возрастает скорость его перемещения. Датчик угла поворота оси 10, работая в сопряжении со счетчиком времени ЭВМ, фиксирует угловые координаты текущего положения бойка, величины которых передаются в блок обработки сигналов 9. В определенный момент времени образец волокна 7 разрывается, формируя силу сопротивления перемещению бойка, которая снижает его угловую скорость. Блок обработки сигналов 9 рассчитывает изменение угловой скорости бойка в момент разрыва образца ΔU и величину разницы начального и конечного углового отклонения бойка за период его перемещения Δϕ. По значениям ΔU и Δϕ блок обработки сигналов рассчитывает силу разрыва и работу, затраченную на разрыв образца.
После испытания волокон и нитей на растяжение оператор вручную посредством применения узла 13 перемещает кулачек 12, что обеспечивает прогиб пластины 11 и ее соприкосновение с нижним краем бойка. В результате будет происходить принудительное торможение бойка и его останов. После этого возможно повторение испытания.
Таким образом, предлагаемое устройство позволяет повысить информативность и точность результатов анализа, так как формируемое усилие разрыва рассчитывается на основе величины возникающего при разрыве максимального ускорения, препятствующего перемещению бойка. При этом работа разрыва определяется не только до момента возникновения максимального усилия, но и с учетом преодоления сил, возникающих после разрыва, но действующих до полного разрушения образца (то есть до разделения его на две части).
Кроме этого, предлагаемое устройство позволяет снизить продолжительность и безопасность анализа.
Создание предлагаемого устройства для испытания не требует значительных затрат на изготовление, и его реализация возможна на практике при проведении материаловедческих испытаний.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАНЫХ ИСТОЧНИКОВ
1. Лабораторный практикум по текстильному материаловедению: Учеб. пособ. Для студентов вузов / Кобляков А.И., Кукин Г.Н., Соловьев А.Н. и др. - М.: Легпромбыт издат, 1986. - 344 с.
2. Банакова Н.В., Крутикова В.Р. Анализ параметров технологических процессов приготовительного, ткацкого и трикотажного производств по тензограммам нити // Ж. Известия вузов. Технология текстильной пром-ти, №5, 2015. - с. 100-105.
3. Голубков B.C., Пирагов К.М., Смушкович Б.Л. Испытательные машины в текстильном материаловедении. - М.: Легпромбытиздат, 1988. - 208 с.
4. Авторское свидетельство СССР №33330 «Динамометр маятниково-копрового типа для определения крепости текстильных материалов», автор И.В. Крагельский, заявка от 12.03.1933 г.