УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДЕФОРМАЦИИ ТЕКСТИЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ ПРИ СЖАТИИ

Полезная модель относится к легкой промышленности, в частности к испытательной технике и может быть использовано для определения и контроля деформации сжатия тканей, трикотажа, нетканых утепляющих материалов и пакетов из них.
Известен метод Колосова - Мусхелишвили для оценки влияния усилий сжатия на деформацию ткани на основе специальных расчетных программ (Фомин, Ю.Г. Влияние усилий сжатия на деформацию тканей / Ю.Г. Фомин, Л. Удвал, Т.П. Туцкая // Научный альманах. Спецвыпуск «Текстильная промышленность» - 2007 - №4 - с. 40-42). В качестве исходной величины при расчете деформации задается взаимное перемещение жестких сердечников контактирующих тел после их первоначального контакта с обрабатываемым материалом. Деформация ткани определяется как функция удельного давления, деформирующего материал.
Недостатками устройства являются возможность реализовать только одноцикловое воздействие при нагружении до 20 МПа, а также невозможность создания условий испытаний близких к реальным (во влажном виде).
Наиболее близким к заявляемому является устройство для определения деформационных свойств кожи и подобных ей гибких материалов (RU 2354953, G01N 3/08, публ. 10.05.09). Устройство содержит средство для фиксации исследуемого образца, выполненное в виде зажимных колец, шток-индентор с механизмом для нагружения образца, устройство для измерения перемещений штока-индентора, электронный блок, передающий информацию на компьютер. Одно из зажимных колец средства для фиксации исследуемого образца закреплено на приспособлении, совершающем возвратно-поступательное движение из зоны нагружения образца в зону устройства для измерения перемещения штока-индентора. Устройство для измерения перемещений штока-индентора содержит шаговый электродвигатель, вал которого соединен с ходовым винтом и кареткой, снабженной дифференциальным фотодатчиком и датчиком касания исследуемого образца. Данное устройство позволяет определить деформационные свойства исследуемого материала при многоцикловом нагружении по циклу «нагружение - выдержка - разгрузка - отдых», что дает возможность более полно оценить изменение деформационных свойств материалов в условиях, приближенных к условиям эксплуатации.
Недостатками устройства является невозможность испытаний в условиях циклического сжатия пробы (возможно только циклическое растяжение), а также раздельность зон нагружения и измерения, что не дает возможности измерения упругой части полной деформации текстильных материалов.
Полезная модель решает задачу реализации циклического сжатия пробы и измерения ее деформации в период нагружения и отдыха.
Это достигается тем, что в устройстве для определения деформации текстильных материалов на сжатие, содержащем средство для крепления исследуемого образца, механизм нагружения со штоком, устройство для измерения перемещений штока, электронный блок, управления, согласно полезной модели зоны нагружения и измерения выполнены заодно, а средство для крепления исследуемого образца выполнено в виде стальной емкости цилиндрической формы с возможностью изменения ее размера в зависимости от вида сжатия.
Совмещение зоны нагружения и зоны измерения дает возможность измерения деформации пробы в период нагружения и отдыха, в результате чего в процессе работы устройства не требуется возвратно-поступательных движений каретки.
Средство для крепления исследуемого образца выполнено в виде стальной емкости цилиндрической формы, размер которой можно изменять в зависимости от того стесненное или свободное сжатие требуется реализовать.
Полезная модель иллюстрируется чертежами, где на фиг. 1 показан фронтальный разрез устройства, на фиг. 2 - свободное сжатие, на фиг. 3 - стесненное сжатие.
Устройство содержит стол 1, каретку 2, на которой закреплено одно из зажимных колец для крепления исследуемого материала 3, механизм нагружения, включающий шток-индентор 4 в виде стержня со сменными насадками, приводимый в движение электродвигателем 5, опорную горизонтальную площадку 6, устройство для измерения перемещений 7, и электронный блок 8 с пультом управления 9.
Устройство для измерения перемещений 7 включает шаговый электродвигатель 10, на оси которого находится ходовой винт 11 и каретка 12 с направляющими 13. На ходовом винте расположена безлюфтовая втулка, соединенная с кареткой 12. На каретке 12 также находится флажок с отверстием под дифференциальный фото датчик 14. Кроме него на каретке 12 расположен датчик касания к материалу, который представляет собой коромысло 15 с отверстием под дифференциальный фотодатчик зонда 16 и пружинный зонд 17. Коромысло сбалансировано для обеспечения минимального возможного давления на материал. Дифференциальный фото датчик зонда 16 закреплен неподвижно и является пусковым, то есть от него запускается счетчик счета шагов. Дифференциальный фото датчик 14 передвигается вместе с кареткой 12 и является стоповым датчиком двигателя передвижения каретки, то есть он прекращает счет шагов и останавливает двигатель.
Устройство работает следующим образом.
Исследуемый образец, например войлок, укладывается на дно опорной поверхности, представляющей собой жесткий стальной цилиндр D=35 мм, H=15 мм, который установлен на каретке. После подключения устройства к источнику питания каретка 2 устройства для измерения перемещений с датчиком касания и шток-индентор 4 занимают крайнее верхнее положение. На горизонтальной опорной площадке 6 задают величину нагружения исследуемого образца, например 1,5 даН. Затем с помощью пульта управления 9 электронного блока 8 задают параметры испытаний: количество циклов 10, время нагружения 10 секунд, время отдыха 5 секунд.
Далее каретка 2 с исследуемым образцом перемещается в зону устройства для измерения перемещений 7. При этом каретка 12 опускается вниз по направляющим 13 до момента касания пружинного зонда 17 исследуемого образца, и производит замер исходного уровня поверхности образца. После чего каретка 12 возвращается в крайнее верхнее положение, а на табло пульта управления электронного блока выводится полученное значение измерения, которое принимается на точку отсчета при определении конечного результата испытаний.
Сразу после замера исходного уровня поверхности образца и подъема пружинного зонда, шток-индентор 4 приводится в движение электродвигателем 5 через редуктор и движется вниз до соприкосновения с исследуемым образцом. После чего происходит испытание по циклу: нагружение, затем выдержка под нагрузкой 10 секунд, разгрузка и отдых 5 секунд.
После осуществления десяти циклов, каретка опускается вниз по направляющим 13 до момента касания пружинного зонда 17 исследуемого образца и производится замер полученного после испытаний уровня поверхности образца. Замеры производятся непрерывно до установления равновесного состояния испытываемого образца.
По полученным измерениям определяются основные характеристики сжатия материала: общая деформация сжатия и ее компоненты в абсолютных (мм) и относительных (%, доли) величинах.
Относительную деформацию и ее компоненты рассчитывали в процентах (долях) от исходной толщины образцов, определяемой из результатов измерений.
Общая деформация
обр
сж
i
условно обратимая L=h-h (мм)
или
ост
общ
обр
i
условно необратимая (остаточная) L=L-L=h (мм)
или
сж
где h - изменение исходной толщины под нагрузкой, мм;
0
h - значение максимального продавливания образца, мм;
Δh - нулевой уровень отсчета координат относительно поверхности
образца, мм;
i
h - значение толщины после отдыха, мм.
0
L - толщина материала до сжатия, мм.
Таблица 1
- Характеристика объектов исследования
Кожа хромового дубления из шкур КРС
№ образца
Вид кожи
ГОСТ
Толщина, мм (при F-0,2 сН)
Поверхностная плотность, г/м<sup>2</sup>шт.
Предел прочности при растяжении, 10 МПа, не менее
Удлинение при разрыве, %
1
Кожа для верха обуви
939
1,29
460
1,8
15-35
2
Кожа для верха обуви
939
1,16
445
1,8
15-35
3
Кожа из шкур КРС, опоек
939
1,3
445,8
1,8
15-35
Характеристика трикотажных полотен
Переплетение
Толщина, см
Поверхностная плотность, г/м<sup>2</sup>
Волокнистый состав, %
Плотность п<sub>г</sub>/п<sub>в</sub>, число петель/ 50 мм
Линейная плотность пряжи, Текс
4
Двуластик
1,72
215,40
ВПэф-40
160/120
31,0
ВХл-60
5
Двуластик
1,81
240,92
ВШр-30, ПАН-70
190/200
18,5
Пакеты
Образцы, входящие в пакет
Климатические условия
6
образец №4+образец №3
t=(20±2)°С, относительная влажность воздуха W=(65±2) [6]
7
образец №4+образец №3
увлажнение W<sub>ф</sub>=40%, t=22°C
8
образец №5+образец №3
t=(20±2)°C, относительная влажность воздуха W=(65±2) [6]
9
образец №5+образец №3
увлажнение W<sub>ф</sub>=40%, t=22°C
ПРИЛОЖЕНИЕ 1
Протокол испытаний образцов
№ п.п.
Трикотаж (Сухой)
Кожа
Пакет (сухой)
Пакет (мокрый)
200 циклов
200 циклов
200 циклов
200 циклов
t, c
h, мм
h, мм
h, мм
h, мм
1
0,06
0,30
0,40
0,34
0,38
2
0,19
0,26
0,38
0,32
0,37
3
0,31
0,28
0,38
0,34
0,38
4
0,44
0,26
0,35
0,30
0,38
5
0,56
0,26
0,34
0,32
0,39
6
0,69
0,26
0,35
0,33
0,39
7
0,81
0,26
0,38
0,31
0,40
8
0,94
0,26
0,36
0,31
0,44
9
1,06
0,26
0,38
0,32
0,40
10
1,19
0,27
0,36
0,32
0,41
Образцы
Толщина, мм
1
2
3
4
5
среднее
h<sub>0</sub>
Δh
1
Трикотаж (Сухой)
1,70
1,70
1,78
1,76
1,70
1,72
17,5
15,66
2
Кожа
1,2
1,15
1,15
1,20
1,20
1,18
19
18,06
3
Пакет (сухой)
2,5
2,55
2,55
2,50
2,48
2,51
18
16,16
4
Пакет (мокрый)
2,70
2,71
2,71
2,68
2,70
2,70
18,3
16,47
Расчет показателей деформационных свойств исследуемого материала при сжатии по полученным измерениям определяются в абсолютных (мм) и относительных (%, доли) величинах:
общая деформация сжатия:
общ
сж
0
L=h=h-Δh
сж
0
0
ε=(h-Δh)/L
общ
где L - общая деформация сжатия, мм
сж
h - величина максимального продавливания материала, мм
0
h - значение максимального продавливания на шкале, мм
-Δh - нулевой уровень поверхности пробы, мм
сж
ε - общая деформация сжатия, %
0
L - толщина пробы материала до сжатия, мм
общ
1. L=17,5-15,66=1,64
общ
2. L=19-18,06=0,94
общ
3. L=18-16,16=1,84
общ
4. L=18,3-16,47=1,83
сж
1. ε=(17,5-15,66)/1,72=0,95
сж
2. ε=(19-18,06)/1,18=0,79
сж
3. ε=(18-16,16)/2,51=0,73
сж
4. ε=(18,3-16,47)/2,70=0,67
i
Условнообратимая (разница между полной деформацией и последним значением измерения h) деформация
сж
i
Lобр=h-h
обр
сж
i
0
ε=(h-h)/L
обр
сж
i
сж
Δε=(h-h)/h
обр
где L - условнообратимая часть деформации, мм
i
h - последнее значение измерения считывающего устройства, мм
обр
ε - условнообратимая часть деформации, %
обр
Δε - условнообратимая часть деформации, доли
обр
1. L=1,64-0,27=1,37
обр
2. L=0,94-0,36=0,58
обр
3. L=1,84-0,32=1,52
обр
4. L=1,83-0,41=1,42
обр
1. ε=(1,64-0,27)/1,72=0,79
обр
2. ε=(0,94-0,36)/1,18=0,49
обр
3. ε=(1,84-0,32)/2,51=0,61
обр
4. ε=(1,83-0,41)/2,70=0,52
обр
1. Δε=(1,64-0,27)/1,74=0,83
обр
2. Δε=(0,94-0,36)/0,94=0,61
обр
3. Δε=(1,84-0,32)/1,84=0,82
обр
4. Δε=(1,83-0,41)/1,83=0,77
i
Условнонеобратимая (остаточная) деформация сжатия определяется последним значением измерения h в период отдыха пробы
ост
общ
обр
i
L=L-L=h
ост
i
0
ε=h/L
ост
i
сж
Δε=h/h
ост
где L - условнонеобратимая часть деформации, мм
ост
ε - условнонеобратимая часть деформации, %
ост
Δε - условнонеобратимая часть деформации, доли
ост
1. L=1,64-1,37=0,27
ост
2. L=0,94-0,23=0,36
ост
3. L=1,84-1,52=0,32
ост
4. L=1,83-1,42=0,41
ост
1. ε=0,27/1,72=0,15
ост
2. ε=0,36/1,18=0,30
ост
3. ε=0,32/2,51=0,12
ост
4. ε=0,41/2,70=0,15
ост
1. Δε=0,27/1,64=0,16
ост
2. Δε=0,36/0,94=0,38
ост
3. Δε=0,32/1,84=0,17
ост
4. Δε=0,41/1,83=0,22
ПРИЛОЖЕНИЕ 2
Протокол испытаний образцов
№ п.п.
Трикотаж (Сухой)
Кожа
Пакет (сухой)
Пакет (мокрый)
200 циклов
200 циклов
200 циклов
200 циклов
t, c
h, мм
h, мм
h, мм
h, мм
1
0,06
0,39
0,40
0,24
0,78
2
0,19
0,37
0,38
0,24
0,78
3
0,31
0,38
0,38
0,23
0,77
4
0,44
0,41
0,35
0,25
0,80
5
0,56
0,38
0,34
0,25
0,77
6
0,69
0,38
0,35
0,24
0,76
7
0,81
0,38
0,38
0,22
0,77
8
0,94
0,41
0,36
0,22
0,77
9
1,06
0,39
0,38
0,24
0,78
10
1,19
0,38
0,36
0,22
0,77
Образцы
Толщина, мм
1
2
3
4
5
среднее
h<sub>0</sub>
Δh
1
Трикотаж (Сухой)
1,82
1,80
1,82
1,82
1,80
1,81
17
15,87
2
Кожа
1,2
1,15
1,15
1,20
1,20
1,18
19
18,06
3
Пакет (сухой)
2,6
2,62
2,63
2,61
2,61
2,61
18
16,16
4
Пакет (мокрый)
2,9
2,88
2,86
2,85
2,87
2,88
18,3
16,47
Расчет показателей деформационных свойств исследуемого материала при сжатии по полученным измерениям определяются в абсолютных (мм) и относительных (%, доли) величинах:
общая деформация сжатия:
общ
сж
0
L=h=h-Δh
сж
0
0
ε=(h-Δh)/L
общ
где L - общая деформация сжатия, мм
сж
h - величина максимального продавливания материала, мм
0
h - значение максимального продавливания на шкале, мм
-Δh - нулевой уровень поверхности пробы, мм
сж
ε - общая деформация сжатия, %
0
L - толщина пробы материала до сжатия, мм
общ
1. L=17-15,87=1,13
общ
2. L=19-18,06=0,94
общ
3. L=18-16,16=1,84
общ
4. L=18,3-16,47=1,83
сж
1. ε=(17-15,87)/1,81=0,62
сж
2. ε=(19-18,06)/1,18=0,79
сж
3. ε=(18-16,16)/2,55=0,72
сж
4. ε=(18,3-16,47)/2,88=0,63
i
Условнообратимая (разница между полной деформацией и последним значением измерения h) деформация
обр
сж
i
L=h-h;
обр
сж
i
0
ε=(h-h)/L
обр
сж
i
сж
Δε=(h-h)/h
обр
где L - условнообратимая часть деформации, мм
i
h - последнее значение измерения считывающего устройства, мм
обр
ε - условнообратимая часть деформации, %
обр
Δε - условнообратимая часть деформации, доли
обр
1. L=1,13-0,38=0,75
обр
2. L=0,94-0,36=0,58
обр
3. L=1,84-0,22=1,62
обр
4. L=1,83-0,77=1,06
обр
1. ε=(1,13-0,38)/2,55=0,29
о6р
2. ε=(0,94-0,36)/1,18=0,49
обр
3. ε=(1,84-0,22)/2,55=0,63
обр
4. ε=(1,83-0,77)/2,88=0,37
обр
1. Δε=(1,13-0,38)/1,13=0,66
обр
2. Δε=(0,94-0,36)/0,94=0,61
обр
3. Δε=(1,84-0,22)/1,84=0,88
обр
4. Δε=(1,83-0,77)/1,83=0,58
i
Условнонеобратимая (остаточная) деформация сжатия определяется последним значением измерения h в период отдыха пробы
ост
общ
обр
i
L=L-L=h
ост
i
0
ε=h/L
ост
i
сж
Δε=h/h
ост
где L - условнонеобратимая часть деформации, мм
ост
ε - условнонеобратимая часть деформации, %
ост
Δε - условнонеобратимая часть деформации, доли
ост
1. L=1,13-0,78=0,38
ост
2. L=0,94-0,23=0,36
ост
3. L=1,84-1,62=0,22
ост
4. L=1,83-1,06=0,77
ост
1. ε=0,38/1,81=0,20
ост
2. ε=0,36/1,18=0,30
ост
3. ε=0,22/2,55=0,08
ост
4. ε=0,77/2,88=0,26
ост
1. Δε=0,38/1,13=0,33
ост
2. Δε=0,36/0,94=0,38
ост
3. Δε=0,22/1,83=0,11
ост
4. Δεе=0,77/1,83=0,42
Устройство позволяет комплексно оценить деформацию сжатия материалов и динамику ее изменения, возможность изменения параметров испытаний проб - стесненного и свободного сжатия, климатических условий, что позволяет моделировать воздействие факторов производства и эксплуатации изделий.