Устройство для определения упруго-вязкой и вязкой среды
DEVICE FOR DETERMINING ELASTIC-VISCOUS AND VISCOUS MEDIUM

Данное устройство относится к области контрольно-измерительного оборудования для определения упруго-вязкой среды и вязкой среды, в частности полимерных сред.
Описание конструкции
При изготовлении полимерных композиционных материалов используются полимерные смолы. Этими смолами пропитываются ткани из высокопрочных стеклянных нитей, нитей бора, углеродных и других высокопрочных волокон. Используемые полимерные материалы могут относиться к упруго-вязким или вязким средам. В упруго-вязких средах зависимость касательных напряжений от деформаций определяется соотношением:
где G - упругий модуль сдвига смолы, γ - сдвиговая деформация,
η - динамический коэффициент вязкости смолы,
- скорость сдвиговой деформации.
Для вязких сред зависимость (1) имеет вид:
Компоненты упругой деформации в соотношении (1) могут быть незначительными по величине. Однако они оказывают влияние на параметры технологического процесса формообразования деталей из полимерных композиционных материалов. Поэтому при расчете технологических параметров необходим контроль: упруго-вязкой или вязкой средой является смола.
Известны вискозиметры различных типов для измерения вязкости жидких сред - ротационные (ASTM D 5293-CCS), капиллярные (ASTM D 445) [1].
В ротационных вискозиметрах исследование вязкости осуществляют при помощи измерительного цилиндра или диска (шпинделя), погруженного в анализируемый материал, которые в свою очередь предварительно помещают во внешний резервуарный цилиндр. Далее на определенной скорости вращения шпинделя (цилиндра) посредством измерения сопротивления вещества определяют показатели вязкости. Вязкость может определяться путем использования различных типов шпинделей (цилиндров) и скорости их вращения.
К недостаткам известных устройств относятся сложность конструкции и обслуживания, а также высокая стоимость их изготовления.
В ротационных вискозиметрах серий ST-2001 L-H фирмы AWTech реализован шпиндельный принцип измерений сопротивлений в диапазоне от 20 сП до 1060000 П (пуаз) [2]. Недостатком вискозиметров AWTech ST-2001 L-H является большой объем исследуемой жидкости, а также недостаточно низкий нижний предел измерений вязкости.
Вязкость может определяться путем использования различных типов соосно расположенных цилиндров и различной скорости их вращения. В ротационных вискозиметрах с соосно расположенными цилиндрами внешний цилиндр либо неподвижен, либо вращается с заданной угловой скоростью. В последнем случае внутренний цилиндр соединяют с динамометром, воспринимающим передаваемый испытуемой жидкостью момент вращения, величина которого прямо пропорциональна эффективной вязкости.
Из вискозиметров указанного типа заслуживает внимания ротационный вискозиметр, включающий коаксиальные наружный цилиндр и концентрично расположенный в нем измерительный внутренний цилиндр, связанный с синхронным электродвигателем с помощью полого вала [3]. Внутри полого вала помещен стержень, жестко связанный с измерительным внутренним цилиндром. Стержень одновременно жестко связан через торсионы одним концом - с валом электродвигателя, а другим - с нижним основанием полового вала. При вращении вала электродвигателя торсионы передают крутящий момент внутреннему измерительному цилиндру. Величина углового смещения торсионов фиксируется динамометрическим устройством коллекторного типа, подающим на регистрирующее устройство электрический сигнал, прямо пропорциональный вязкости исследуемой жидкости.
Внутри данного устройства снаружи измерительного (внутреннего) цилиндра по всей его высоте установлен выступ с минимальным зазором между ним и внутренней поверхностью неподвижного наружного цилиндра. В кольцевом канале между цилиндрами по всей высоте наружного неподвижного цилиндра выполнен сквозной щелевидный паз, через который поступает исследуемая жидкость, а также выдвигается и убирается в кольцевой канал выступ. Выдвижение выступа на внутренней поверхности неподвижного цилиндра регулирует кулачковый механизм, жестко закрепленный на полом валу двигателя.
К недостаткам данного устройства относятся: необходимость для проведения исследования достаточно большого объема образцов смолы, что делает его непригодным для проведения исследования при наличии небольших объемов полимерной смолы.
Наиболее близким к заявляемому изобретению является способ определения упруго-вязкой среды и вязкой среды (патент RU 2390758) [4], заключающийся в улучшении воспроизводимости напряжений сдвига за счет конструктивных изменений коаксиальных цилиндров и регистрации количества оборотов измерительного цилиндра в течение фиксированного 10-секундного интервала времени.
Недостатком известного способа является то, что в процессе измерения не фиксируется резонансное колебание внутреннего цилиндра, которое является показателем упруго-вязкой среды.
Целью изобретения является расширение диапазона, повышение точности и улучшение диагностических возможностей вискозиметрических измерений.
Технической задачей, на решение которой направлен данный способ, является определение упруго-вязкой среды и вязкой среды.
Технический результат предлагаемого способа заключается в определения упруго-вязкой среды и вязкой среды.
Технический результат достигается путем регистрирования наличия или отсутствия резонанса колебаний внутреннего цилиндра.
В заявке предлагается конструкция, состоящая также из двух цилиндров, внутреннего 1 и наружного 2, между которыми помещается испытуемая смола 3 (рис. 1). Наружный и внутренний цилиндры могут поворачиваться относительно общей оси. Внутренний цилиндр подвешен на трубчатом элементе 4, конец которого прикреплен к неподвижному корпусу 5 устройства. Этот элемент выполняет роль пружины, работающей на кручение. Наружный цилиндр на внешней стороне имеет устройство, которое может создавать вращательные колебательные движения цилиндра его с определенной амплитудой колебаний и определенной частотой. Внутренний цилиндр имеет где расположено устройство, позволяющее регистрировать амплитуду и частоту колебаний, возникающих от возбуждающих колебаний наружного цилиндра, которые передаются через испытуемую среду. Изменяя частоту колебаний наружного цилиндра, добиваемся создания максимальной амплитуды колебаний внутреннего цилиндра. Колебания внутреннего цилиндра обуславливаются колебаниями наружного цилиндра, передающего колебания внутреннему цилиндру через испытуемую полимерную смолу. Если внутренний цилиндр входит в резонанс с колебаниями наружного цилиндра, то это свидетельствует о том, что испытуемая жидкость при малых амплитудных колебаниях является упругой средой и является упруго-вязким телом. Если же внутренний цилиндр не имеет выраженных резонансных колебаний, то это является свидетельством, что испытуемый материал является вязкой средой.