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 и перемещений нити относительно рабочих органов перерабатывающих машин позволяют заключить о более кратковременных 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 возникающего при деформации образца усилия до и в момент его разрыва [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 маятник в виде бойка с возможностью его вращательного движения под действием своей силы тяжести, фиксатор начального положения маятника в виде бойка, измерительный узел и зажимы для испытываемого образца, один из которых подвижный и закреплен на конце маятника в виде 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.
Недостатком также является отсутствие элементов конструкции, обеспечивающих принудительное торможение маятника в виде бойка без участия рук оператора. Этот недостаток снижает вероятность безопасного испытания и повышает продолжительность анализа.
Указанные недостатки исключаются при использовании известного устройства для испытания волокон и нитей на растяжение [5], представляющего из себя разрывную машину копрового типа. Известное устройство для испытания волокон и нитей на растяжение содержит станину, закрепленный на оси маятник с возможностью его вращательного движения под действием своей силы тяжести, датчик угла поворота оси с маятником, блок обработки сигналов, ЭВМ, фиксатор начального положения маятника перед испытанием, зажимы для испытываемого образца, один из которых подвижный и закрепленный на маятнике, а другой установлен на станине, расположенную между станиной и нижним свободным концом маятника в исходном положении закрепленную консольно гибкую пластину.
Недостатком устройства [5] является неудобство фиксации испытываемого образца волокон или нитей в подвижный зажим свободно свисающего маятника. Для исключения этого требуется его фиксация в этом исходном положении. Недостатком является также сложность конструкции узла для принудительного прогиба консольно закрепленой гибкой пластины, предназначенной для торможения маятника после разрушения образца.
К числу недостатков также следует отнести то, что для расширения области использования известное устройство [5] не обеспечивает возможности для закрепления узлов для скручивания волокон, которое необходимо, например, при испытании короткого льняного волокна или пеньки по действующим стандартам: ГОСТ Р 54589-2011 «Волокно льняное короткое. Технические условия» и ГОСТ 9993-2014 «Пенька короткая. Технические условия». Важным недостатком устройства [5] является возникновение погрешностей при обработке сигналов от датчика в процессе передачи для использования их на ЭВМ. Это объясняется тем, что при работе датчика угла поворота последующая обработка сигналов реализуется только в режиме «запрос-ответ». Вследствие этого, поддержание стабильной периодичности опроса осуществляется ЭВМ, работающей под управлением операционной системы семейства Windows. Поэтому при использовании программы, работающей в пользовательской среде, возникают затруднения по обеспечению требуемой при расчетах периодичности и постоянства времени передачи быстротечных сигналов от датчика с интервалом порядка 1 мс. Именно такой величины формируются временные интервалы в процессе испытания. В итоге по данной причине возникают погрешности.
Однако, по своей технической сущности и достигаемому результату данное устройство [5] является наиболее близким к заявляемому и поэтому оно может быть выбрано в качестве прототипа.
Технической задачей предлагаемой полезной модели является улучшение условий эксплуатации, повышение точности результатов анализа, расширение области использования, упрощение конструкции устройства для испытания волокон и нитей на растяжение.
Поставленная задача достигается тем, что в известном устройстве для испытания волокон и нитей на растяжение, содержащем станину, закрепленный на оси маятник с возможностью его вращательного движения под действием своей силы тяжести, датчик угла поворота оси с маятником, блок обработки сигналов, ЭВМ, фиксатор начального положения маятника перед испытанием, зажимы для испытываемого образца, один из которых подвижный и закрепленный на маятнике, а другой установлен на станине, расположенную между станиной и нижним свободным концом маятника в исходном положении закрепленную консольно гибкую пластину, согласно полезной модели, к станине прикреплено с возможностью поворота разноплечее коромысло для принудительного прогиба консольно закрепленной гибкой пластины, на станине имеются узлы крепления съемных механизмов для скручивания волокон и расположен дополнительный фиксатор для свободно свисающего маятника в исходном положении, а блок обработки сигналов дополнительно содержит генератор тактовой частоты для хронометража и запоминающий элемент для аккумулирования сигналов от датчика угла поворота оси с маятником перед передачей всей совокупности сигналов к ЭВМ.
Использование прикрепленного к станине с возможностью поворота разноплечего коромысла для принудительного прогиба консольно закрепленной гибкой пластины упрощает конструкцию узла для принудительного останова маятника после испытания образца.
Наличие на станине узлов крепления съемных механизмов для скручивания образцов волокон расширяет область использования предлагаемого устройства, например, для испытания волокон при определении их разрывного усилия по ГОСТ Р 54589-2011 «Волокно льняное короткое. Технические условия» и ГОСТ 9993-2014 «Пенька короткая. Технические условия».
Расположение на станине дополнительного фиксатора для свободно свисающего маятника в его исходном положении, обеспечивает улучшение условий эксплуатации предлагаемого устройства, а именно условия закрепления испытываемого образца в подвижном зажиме, расположенном на маятнике.
Наличие в блоке обработки сигналов генератора тактовой частоты для хронометража и запоминающего элемент для аккумулирования сигналов от датчика угла поворота оси маятника перед передачей всей совокупности сигналов к ЭВМ обеспечивает повышение точности при определении разрывных характеристик при растяжении образца в процессе его испытания. Это объясняется исключением влияния операционной системы, установленной на ЭВМ, на время передачи и параметры каждого из сигналов, поступающих от датчика в процессе перемещения маятника.
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.
1
2
Устройство для испытания волокон и нитей на растяжение (фиг. 1, 2) содержит станину 1, закрепленный на оси 2 маятник 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 и расположен на маятнике. Зажим 6 может устанавливаться на разном расстоянии (Б или Б) от зажима 5, что необходимо для расширения области использования устройства.
Предложенное устройство содержит фиксатор 8 для обеспечения неподвижности маятника в его исходном свободно свисающем состоянии. Он представляет собой узел, закрепленный болтовым соединением к станине 1. В его неподвижном элементе, в верхней части имеется прорез. В прорезе на оси расположен опрокидывающийся затвор. Этот затвор после опрокидывания скрепляется с маятником в исходном положении.
С обоих торцов станины имеются узлы крепления 9а и 9б съемных механизмов для скручивания образцов волокон. Они могут иметь разную конструкцию: либо в виде скрепленных с основанием скоб, либо отверстий в основании (на рисунке они представлены в виде скоб).
Кроме этого, к одному из торцов основания прикреплено с возможностью поворота разноплечее коромысло 10 для принудительного прогиба консольно закрепленной гибкой пластины 11, расположенной между станиной и нижним краем маятника.
Особенностью конструкции является блок обработки сигналов 12. В нем, в отличие от прототипа, дополнительно имеется генератор тактовой частоты для хронометража и запоминающий элемент для аккумулирования сигналов от датчика 13 угла поворота оси с маятником перед передачей всей совокупности сигналов к ЭВМ.
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 (по требованию упомянутого ГОСТ). При этом маятник 3 располагается в исходном положении вертикально так, что его центр тяжести находится на минимальном расстоянии от станины. Для исключения подвижности маятника при закреплении образца в зажим 5 его фиксируют. Для этого используют фиксатор 8. Далее маятник отклоняют относительно оси вращения в начальное положение и закрепляют фиксатором 4. Посредством ЭВМ включают блок обработки сигналов 12, поступающих от датчика 13 угла поворота оси 2. Обработка этих сигналов в блоке 12 производится с применением генератора тактовой частоты для хронометража, а также посредством предварительного запоминания (аккумулирования) всей массы сигналов запоминающим элементом перед передачей их всей совокупности к ЭВМ.
После этого посредством фиксатора 4 маятник 3 освобождают от закрепления в начальном положении. Он начинает перемещаться под действием своей силы тяжести, приобретая кинетическую энергию. Его угловая скорость возрастает. Датчик 13 угла поворота оси, в процессе перемещения маятника формирует сигналы о его угловом положении, которые с применением генератора тактовой частоты подвергаются хронометражу. Все зафиксированные и замеренные по продолжительности сигналы (посредством хронометража) с использованием запоминающего элемента аккумулируются.
В определенный момент времени образец волокна 7 разрывается, формируя силу сопротивления перемещению маятника, которая снижает его угловую скорость. После достижения маятником конечного по ходу его перемещения положения все полученные сигналы блоком одновременно всей массой они (сигналы) передаются к ЭВМ, которая рассчитывает по известным зависимостям теоретической механики (основной закон динамики движения вращательного тела) силу разрыва образца.
После испытания волокон и нитей на растяжение оператор вручную посредством применения узла принудительного останова маятника нажимает на более длинное плечо коромысла 10, что обеспечивает прогиб пластины 11 и ее соприкосновение с нижним краем маятника. В результате обеспечивается принудительное торможение маятника и его останов. После этого возможно повторение испытания.
При необходимости испытания волокна по ГОСТ Р 54589-2011 «Волокно льняное короткое. Технические условия» и ГОСТ 9993-2014 «Пенька короткая. Технические условия» работа предлагаемого устройства для испытания волокон и нитей на растяжение осуществляется по сходной с указанной выше последовательности действий. Отличием будет являться предварительное подкручивание волокна. Для этого используют специальные типовые механизмы для скручивания образцов волокон. Эти механизмы прикрепляются к станине посредством узлов крепления 9а и 9б, которые на ней имеются.
Таким образом, предлагаемое устройство позволяет улучшить условия его эксплуатации, повысить точность результатов анализа, обеспечить расширение области использования, упростить конструкцию для испытания волокон и нитей на растяжение.
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.: Легпромбытиздат, 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.
5. Устройство для испытания волокон и нитей на растяжение: Патент на полезную модель №176392, РФ / Е.Л. Пашин; опубл. 17.01.2018.