УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК СЕРИИ ОБРАЗЦОВ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ
DEVICE AND METHOD FOR DETERMINING THE PHYSICAL AND MECHANICAL CHARACTERISTICS OF A SERIES OF SAMPLES OF POLYMER MATERIALS

Изобретение относится к области испытательной и измерительной техники, а именно, к методам контроля полимерных материалов и приборам для определения их прочностных свойств, а также к способам и устройствам для определения физико-механических характеристик (ФМХ) серии образцов полимерных материалов.
Известно /1/, что для определения ФМХ полимерных материалов используются образцы в виде плоских лопаточек. Их растягивают на разрывной машине до разрушения, при этом фиксируют значения нагрузок и рассчитывают по известным формулам ФМХ. Для определения средних значений ФМХ с минимальной погрешностью необходимо оперативно обрабатывать результаты испытаний серии образцов в одинаковых условиях. Такие испытания являются трудоемкими, и при их проведении сложно поддерживать необходимый температурно-влажностный режим, чтобы не снижать точность определения ФМХ в широком диапазоне температур от минус 50°С до +80°С.
Известным аналогом данного изобретения является изобретение /2/, которое описывает способ и устройство для определения ФМХ материалов. На поверхности образца исследуемого материала с помощью преобразователя возбуждают упругие колебания и принимают с той же поверхности прошедшие по толщине образца отраженные эхосигналы этих колебаний. По параметрам принятого сигнала определяют пористость, плотность и механические свойства образца. Возбуждение упругих колебаний осуществляют лазерным оптико-акустическим преобразователем. Механические свойства материала определяют по мощности шумовой компоненты рассеянного акустического сигнала. Недостатком этого устройства является сложность и большая погрешность измерений.
Известно устройство для определения прочностных свойств материалов, содержащее средства размещения образца для испытаний, индентор, механизм привода индентора и средства для регистрации прочностных показателей образцов /3/. Недостатком этого устройства является отсутствие возможности определения всех ФМХ образцов и оперативной регистрации показателей множественной партии образцов при проведении групповых контрольных испытаний.
Наиболее близким аналогом к изобретению является устройство, описанное в /4/, принятое за прототип. Оно содержит неподвижное основание со средством позиционирования образца исследуемого материала, систему нагружения образца, закрепленного на стержне и систему контроля перемещений, которые установлены с возможностью их совместного перемещения вдоль вертикальной оси устройства, а также систему измерения степени деформации образца и системой регулирования режима нагрева образца (индентора).
Однако этот способ не позволяет получить достаточно достоверных и точных результатов ввиду отсутствия возможности испытывать серию образцов в одинаковых условиях, и поэтому погрешность измерений обусловлена большим разбросом значений параметров ФМХ и не удовлетворяет требованиям, предъявляемым к контролю изделий ответственного назначения.
Технической задачей изобретения является создание способа и установки с возможностью испытывать серии образцов материала в одинаковых температурно-влажностных условиях, позволяющих оперативно и точно определять ФМХ полимерных материалов в широком диапазоне температур испытаний от минус 50°С до плюс 80°С.
Техническим результатом изобретения является создание эффективной системы позволяющей для серии испытаний измерять параметры нескольких образцов и повысить точность определения ФМХ при соблюдении необходимых температурно-влажностных режимов. Предлагаемое изобретение позволит минимизировать технологическое время испытаний и увеличить производительность труда при испытании серии образцов полимерных материалов.
Поставленная задача решается тем, что в устройстве для определения ФМХ серии образцов полимерных материалов, содержащем опорную и верхнюю плиты, соединенные между собой четырьмя вертикальными стойками, а также механический привод вертикального растяжения испытуемых образцов с силоизмерителем, соединенным с измерительным прибором и персональным компьютером (ИППК), выполнены следующие изменения.
На верхней плите смонтирован сепаратор, состоящий из верхней и нижней тарелок закрепленных на вертикальной оси. По наружной окружности тарелок выполнены гнезда, в которых размещены верхние и нижние зажимы для каждого образца испытуемой серии. Нижний зажим одного из образцов через тягу с помощью шпоночного крепления соединен с силоизмерителем.
Сепаратор расположен внутри цилиндрической термокамеры с верхним закрытым торцом, на которой имеются входной и выходной штуцеры для тубопроводов с теплоносителем. Сепаратор может поворачиваться вокруг вертикальной оси в одно из рабочих положений ручкой поворота сепаратора и фиксироваться в этом положении фиксатором с помощью рукоятки, расположенной на верхней плите.
С использованием описанного устройства реализован способ определения ФМХ серии образцов полимерных материалов, включающий устройство по п. 1.
Сначала в сепаратор помещают силикагель, служащий для поддержания заданных влажностных условий внутри термокамеры. Затем с помощью зажимов в сепаратор устанавливают серию испытуемых образцов, закрывают его цилиндрической термокамерой и подсоединяют через входной и выходной штуцеры трубопровод с теплоносителем. После прошествия заданного времени термостатирования, начинают процесс испытаний серии.
Для этого сепаратор ручкой поворачивают вокруг оси на заданный угол и фиксируют его в рабочем положении фиксатором с помощью рукоятки. Нижний зажим очередного образца с помощью шпоночного крепления соединяют с тягой от силоизмерителя и включают механический привод для вертикального растяжения образца. При этом тяга начинает движение вниз с постоянной заданной скоростью V до момента разрыва образца. После этого привод останавливают и нижний зажим образца отсоединяют от тяги. Далее происходит процесс испытания следующего образца серии, начиная с момента следующего поворота сепаратора на заданный угол.
При этом сила растяжения P(t) образца, как функция времени t, измеряется силоизмерителем и ИППК. Величина деформации образца L(t) пересчитывается на ИППК по формуле L=t*V. После испытаний всей серии образцов на ИППК по известным математическим зависимостям проводится отбраковка незачетных испытаний и определяются средние значения ФМХ испытуемой серии.
Технический результат предлагаемого изобретения реализуется в процессе измерений термомеханических характеристик материалов. При подсоединении образцов к растягивающему приводу не происходит изменение температуры образца, находящегося в термокамере. За счет наличия в сепараторе силикагеля обеспечивается требуемая влажность атмосферы вокруг образцов. Предлагаемое изобретение позволяет измерять ФМХ всей серии образцов в одинаковых условиях и обеспечить автономность поддержания температуры образцов. При этом проводятся определения ФМХ в широком диапазоне температур, от минус 50°С до плюс 80°С для разных серий образцов. Все это позволяет повысить точность и достоверность определения ФМХ исследуемого материала при соблюдении необходимых температурно-влажностных режимов.
Предлагаемое изобретение позволит повысить оперативность проведения множественных измерений, а также упростить сам процесс измерений, минимизировать технологическое время испытаний и увеличить производительность труда при испытании серии образцов полимерных материалов.
Более подробно заявляемые в изобретении устройство и способ поясняется фигурой. Здесь показано устройство для определения ФМХ серии образцов полимерного материала, содержащее механический привод 9 вертикального растяжения испытуемых образцов 2. Силоизмеритель 18 соединен с измерительным прибором и персональным компьютером 19 (ИППК), регистрирующими силу растяжения и деформацию образцов. Опорная 20 и верхняя 17 плиты соединены между собой четырьмя вертикальными стойками 8. На верхней плите смонтирован сепаратор, состоящий из закрепленных на вертикальной оси 5 верхней 10 и нижней 14 тарелок. В них имеются по наружной окружности гнезда 10 для верхних 12 и нижних 3 зажимов каждого образца из испытуемой серии. Нижний зажим одного из образцов через тягу 16 с помощью шпоночного крепления 15 соединен с силоизмерителем. Сепаратор расположен внутри цилиндрической термокамеры 1 с верхним закрытым торцом и со штуцерами 13 и 4. Сепаратор имеет возможность поворачиваться вокруг оси в рабочее положение ручкой 7 поворота сепаратора и фиксироваться фиксатором, с помощью рукоятки 6, расположенной на верхней плите 17.
Устройство работает следующим образом. Сначала в сепаратор 5, 10 и 4 с помощью верхних 12 и нижних 3 зажимов устанавливают серию испытуемых образцов в виде лопаточек 2, вырубленных на специальном штамповочном прессе. Для обеспечения требуемой влажности при термостатировании в сепаратор помещают силикагель и закрывают термокамерой 1. Затем в термокамеру через входной и выходной штуцеры подсоединяют трубопроводы и включают подачу в нее теплоносителей на заданное время термостатирования.
После окончания термостатирования начинают процесс испытания серии образцов. Для испытания очередного образца сепаратор поворачивают вокруг оси ручкой 7 и фиксируют его в рабочем положении фиксатором с помощью рукоятки 6. После этого нижний зажим 3 испытуемого образца с помощью шпоночного крепления 15 соединяют с тягой 16 от силоизмерителя 18 и включают механический привод 9 вертикального растяжения образца. Тяга двигается вниз с заданной скоростью V. После разрыва образца подается команда на остановку привода и нижний зажим 3 образца отсоединяют от тяги.
В процессе растяжения сигнал Р от силоизмерителя (как функция времени t) регистрируется ИППК. При этом величина деформации образца L в процессе растяжения пересчитывается на ПК по формуле L=t*V, а сила нагружения образца фиксируется в зависимости от деформации образца L, как P=f(L).
При испытании следующего образца серии тягу 6, соединенную с приводом растяжения образца, поднимают и процесс испытания повторяют до тех пор, пока не будут испытаны все образцы серии.
ИППК обрабатывает результаты испытаний серии образцов. При этом проводится отбраковка незачетных испытаний и определяются средние значения ФМХ испытуемой серии.
Промышленная применимость предлагаемого устройства подтверждается следующим примером реализации. В лабораторных условиях на заявленном устройстве испытывалось 12 образцов установленных в сепараторе. Термокамера создавала замкнутый объем - рабочую камеру для термостатирования образца. В сепаратор засыпается селикогель для поддержания влажности 60%. Температура образцов обеспечивалась циркуляцией теплоносителя термокамере. Газообразный азот для охлаждения образцов поступал из сосудов Дьюара. Для обеспечения определенной температуры в качестве теплоносителей, в термокамерах при термостатировании использовались материалы, приведенные в таблице.
Проводилось растяжение серии образцов до разрушения при заданной температуре испытания. На ИППК по известным математическим зависимостям определялись средние значения модуля упругости Е, напряжения σ, деформации е разрушения образцов, при заданных температуре и скорости растяжения образцов. При этом были обракованы результаты испытаний двух образцов из 12.
Предлагаемое изобретение позволило повысить точность определения ФМХ исследуемого материала для испытуемой серии образцов при соблюдении необходимых температурно-влажностных режимов множественных измерений. При этом для смены образца серии не требуется время, которое может привести к изменению температуры и влажности образцов. Все это позволяет минимизировать технологическое время испытаний и увеличить производительность труда при испытании серии образцов полимерных материалов.
Устройство повышает достоверность контроля конструкций ответственного назначения и, в конечном счете, увеличивает надежность изготавливаемых изделий. Приведенное устройство и способ были реализованы при сдаче продукции народного хозяйства и доказали свою эффективность.
Использованные литературные источники
1 М.Н. Бокшицкий. Длительная прочность полимеров. - М. Химия, 1978, с. 50(312).
2 «Способ определения ФМХ полимерных композиционных материалов и устройство для его осуществления». Патент РФ. №2214590.
3 «Устройство для определения прочностных свойств тонкостенных конструкций». Патент РФ №2142617.
4 «Устройство для измерения термомеханических характеристик термопластичных материалов». Патент РФ №2363940.