УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ КИНЕТИКИ РЕЛАКСАЦИИ НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ ЛЕГКОДЕФОРМИРУЕМЫХ МАТЕРИАЛОВ ПРИ ФИКСИРОВАННОЙ ДЕФОРМАЦИИ
DEVICE FOR INVESTIGATING RELAXATION KINETICS OF STRESSED STATE OF EASILY DEFORMED MATERIALS DURING FIXED DEFORMATION

Предлагаемое изобретение относится к устройствам для исследования кинетики деформационно-релаксационных процессов легкодеформируемых материалов.
Известно устройство (а.с. СССР № 1366945, опубл. 1988.01.15) для испытания швейных материалов при влажно-тепловой обработке, содержащее тепловую камеру, средство деформации материала растяжением и систему регистрации релаксации усилия, выполненную в виде тензометрической системы. Недостатками данного устройства являются сложность его конструктивного исполнения с присущими этой системе значительными погрешностями измерения параметров напряженно-деформированного состояния мягких волокнисто-содержащих материалов вследствие их взаимодействия с упругой тензометрической балкой, оказывающей измерительное воздействие на результаты измерения.
Известно устройство для исследования релаксации напряжения легкодеформируемых, в частности текстильных, материалов при фиксированной деформации (пат. РФ № 2306561, опубл. 2007.09.20 - прототип), содержащее тепловую камеру со средствами подачи паровоздушной среды и автоматического контроля тепловых параметров исследуемого объекта, механизм нагружения исследуемого образца материала, пассивный и активный зажимы для исследуемого образца, микропроцессор, микроконтроллер, блок сопряжения и измерительную систему, включающую пневмопривод с пневмоцилиндром специальной конструкции, шток которого связан с активным зажимом исследуемого объекта, имеющим, как и второй его зажим, возможность собственной фиксации с помощью винтового механизма, а также сенсорный датчик перемещения пассивного зажима.
Недостатками известного устройства являются его конструктивная сложность, связанная с наличием пневмопривода, обладающего определенной мягкостью механической характеристики вследствие сжимаемости рабочего тела - воздуха, а также наличие системы, обеспечивающей промежуточное преобразование информативного сигнала, а именно пневматического сигнала в электрический, что в совокупности приводит к недостаточно высокой надежности функционирования известного устройства и труднопрогнозируемым погрешностям измерения.
Задачей изобретения является повышение надежности функционирования устройства и точности измерения.
Техническим результатом изобретения является упрощение конструкции устройства за счет замены пневмопривода электромеханическим приводом, не требующим наличия системы преобразования пневматического сигнала в электрический.
Указанный технический результат достигается тем, что устройство для исследования релаксации напряженного состояния легкодеформируемых материалов при фиксированной деформации, содержащее тепловую камеру со средствами подачи паровоздушной среды, пассивный и активный зажимы исследуемого образца материала, сенсорный датчик смещения пассивного зажима, механизм нагружения исследуемого образца, микропроцессор, микроконтроллер, блок сопряжения и измерительную систему, в отличие от известного дополнительно содержит широтно-импульсный модулятор и полевой транзистор, при этом скоммутированная с микропроцессором измерительная система выполнена в виде электромеханического привода, выходное звено которого связано с пассивным зажимом исследуемого образца посредством кинематической передачи по условию баланса базовых моментов: обеспечиваемого указанной кинематической передачей и создаваемого прилагаемым к исследуемому образцу начальным усилием, причем микроконтроллер скоммутирован с широтно-импульсным модулятором, управляемым сенсорным датчиком смещения пассивного зажима по условию энергетического баланса уровня сигналов, обеспечиваемых напряженным состоянием образца и поступающих от электромеханического привода.
Предлагаемое устройство наглядно показано на фиг.1, где представлена его структурно-кинематическая схема.
Устройство содержит электромеханический привод, включающий в себя электромотор 1, цилиндрическую зубчатую передачу 2 и 3, рейки 4 и 5 реечной передачи и систему управления электромотором 1, содержащую микроконтроллер 6 со встроенными широтно-импульсным модулятором и универсальным асинхронным приемопередатчиком (на схеме не показаны), полевой транзистор 7, микропроцессор 8, сенсорный датчик 9 начала условного перемещения (микроперемещения) пассивного зажима 10 исследуемого образца материала.
В состав устройства входит также активный зажим 11 исследуемого образца, связанный с механизмом нагружения, включающим винтовую передачу 12 и тарированный упругий элемент 13. Для контроля величины задаваемой деформации материала и величины его нагружения установлены подвижный с регулируемым положением упор 14, а также датчик (система считывания) прилагаемого усилия 15 и датчик (система считывания) деформации 16, прикрепленные к концам тарированного упругого элемента 13 и связанные через блок сопряжения 17 с микропроцессором 8.
Для варьирования параметрами паровоздушной среды устройство снабжено термокамерой 18 с набором контрольных и вспомогательных элементов для обеспечения надежной и корректной работы устройства, смонтированных на общей станине 19.
Условно неподвижный (пассивный) зажим 10 связан с измерительным блоком, содержащим каретку 20, несущую на себе рейку 5, и осуществляющим механическую связь с сенсорным датчиком 9, который регистрирует начало условного перемещения пассивного зажима 10.
Система управления электромотором 1 и, соответственно, электромеханическим приводом в целом, представленная на фиг.2, включает в себя скоммутированный со встроенным широтно-импульсным модулятором микроконтроллер 6, который соответствующим образом запрограммирован на выполнение поставленных задач, полевой транзистор 7, сенсорный датчик 9 начала условного перемещения пассивного зажима 10 и микропроцессор 8. Полевой транзистор 7 скоммутирован затвором G с микроконтроллером 6, стоком D к обмотке электромотора 1 и стоком S к земле. Обмен данными между микроконтроллером 6 и процессором 8 осуществляется при помощи встроенного универсального асинхронного приемопередатчика UART (Universal Asynchronous Receiver and Transmitter) (на схеме не показан) через интерфейс RS-232.
Устройство работает следующим образом.
Перед исследованием испытуемый образец легкодеформируемого, в частности текстильного, материала 21 устанавливается в зажимах 10 и 11 и фиксируется в пространстве термокамеры 18. Нагружение образца (прилагаемое усилие), варьируемое в зависимости от требуемой деформации, осуществляется посредством подвижного зажима 11 и винтовой передачи 12, связанной с тарированным упругим элементом 13. При этом измерение и регистрация перемещения среза образца материала, определяющего величину его деформации, и величины его нагружения, соответствующего прилагаемому усилию, осуществляются соответственно датчиком прилагаемого усилия 15 и датчиком деформации 16, а зарегистрированная информация через блок сопряжения 17 передается в процессор 8, где обрабатывается по заданной программе. Исследование релаксации усилия (напряжения) может осуществляться как в номинальном температурном режиме и при номинальной влажности, так и при воздействии теплоносителя в виде паровоздушной среды при варьируемых значениях влажности и температуры.
Поступившая в процессор 8 информация обрабатывается, и, в соответствии с результатом указанной обработки, формируется напряжение, которое через контроллер 6 и полевой транзистор 7 подается на обмотку электромотора 1. Электромотор создает базовый крутящий момент противодействия, равный моменту, создаваемому усилием, приложенным через рейку 5 к пассивному зажиму 10 посредством нагружения образца, и обеспечивает тем самым базовое квазистабильное положение пассивного зажима 10.
Процесс релаксации напряжения в исследуемом образце и соответствующее уменьшение величины усилия, необходимого для баланса нагружения, создают условия для условного перемещения пассивного зажима 10, которое фиксируется сенсорным датчиком 9. Информация от датчика 9 поступает в микроконтроллер 6, который, в соответствии с заданной программой, уменьшает электрическое напряжение на обмотке электромотора до того момента, когда условное микроперемещение пассивного зажима 10 прекратится, обеспечивая тем самым его квазистабильное состояние. При этом значение уменьшенного напряжения записывается в память микропроцессора 8 как информативный параметр релаксации усилия (напряжения), соответствующий текущему моменту.
Величина подаваемого на обмотку электромотора 1 напряжения пропорциональна программно изменяемому коэффициенту заполнения ШИМ (широтно-импульсной модуляции) широтно-импульсного модулятора, которому, в свою очередь, соответствует конкретное число в регистре микроконтроллера 6.
После передачи в процессор 8 величины электрического напряжения на обмотке электромотора, соответствующего началу условного микроперемещения пассивного зажима 10, при непрерывной работе системы управления электромеханическим приводом микропроцессор 8 производит пересчет этой величины в усилие (F) и соответствующее напряжение σ по известным зависимостям:
F=kU и σ=f(F).
Через определенное время (например, через 20 с или с некоторой изменяемой скважностью), задаваемое посредством таймера по ключу времени, на обмотку электромотора вновь подается напряжение, которое соответствует балансу моментов прилагаемого и противодействующего усилий предшествующего цикла измерения. Дисбаланс указанных моментов, возникший вследствие произошедшей за это время релаксации усилия (напряжения) в образце до некоторого, уже уменьшенного по отношению к предыдущему, значения приведет к микроперемещению пассивного зажима 10, которое определяется сенсорным датчиком 9.
Таким образом, в каждом цикле измерения нет необходимости полного снятия электрического напряжения с обмотки электромотора, что позволяет системе работать с некоторым относительным уменьшением электрического напряжения, принимая во внимание его остаточный уровень, и тем самым уменьшить динамическую составляющую погрешности измерения вследствие сокращения времени разгона и выбега электромеханического привода. Это позволяет варьировать скважностью циклов измерения в период релаксации напряжения при фиксированной деформации материала, увеличивая частоту измерения на начальной более динамичной составляющей процесса, что в конечном итоге обеспечивает повышение общей точности измерения.
По заданной скважности цикл измерения повторяется до полной релаксации усилия (напряжения) в образце при фиксированной деформации. После завершения процесса в режиме реального времени посредством процессора строится график кинетики релаксации усилия Р=f(t) и напряжения σ=f(t).