УСТРОЙСТВО ДЛЯ МЕХАНИЧЕСКИХ ИСПЫТАНИЙ ОБРАЗЦОВ ЭЛАСТОМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Полезная модель относится, к испытательной технике и может использоваться для определения механических характеристик эластомерных материалов в области больших деформаций.
Известно устройство для изучения ползучести в условиях нагружения постоянным истинным напряжением. (Журков С.Н., Нарзулаев Б.Н. Временная зависимость прочности твердых тел // ЖТФ., 1953, т. XXIII, вып.10, с.1-9., Мышляев М.М., Шпейзман В.В., Камалов М.М. Стадийность деформации микрокристаллического алюминий-литиевого сплава в условиях сверхпластичности // Физика твердого тела, 2001, том 43, вып.11, с.2015-2020.). Устройство содержит лекальное приспособление. Профиль лекала рассчитывается с учетом несжимаемости образца по формуле
,
где ε - относительное удлинение образца;
r - радиус круглого диска;
0
t
R и R - проекции радиуса вектора на горизонтальную ось в начальном и заданном положении лекала.
Данное устройство позволяет проводить испытания в режиме постоянного истинного напряжения, однако не может обеспечить проведение испытаний на нагружение образца истинным напряжением, изменяющимся по заданному закону в области больших деформаций.
Наиболее близким к предлагаемому устройству по технической сущности и достигаемому результату является устройство, содержащее механизм деформирования образца с электродвигателем, силоизмеритель, электромеханическую следящую систему с генератором сигналов заданной формы, деформометрическую систему, механически связанную с электродвигателем, схему сравнения, выход которой электрически связан с электродвигателем, а входы с выходом генератора и подвижным контактом коммутатора, два других контакта которого связаны соответственно с деформометрической системой и силоизмерителем (SU 1259139 A1, МПК G01N 3/08, опубл. 23.09.86, Бюл. 35). Устройство позволяет проводить испытания в двух режимах: деформирование и нагружение силой (условным напряжением), изменяющейся по закону, заданному генератором сигналов заданной формы.
Существенным недостатком известного устройства является невозможность проведения испытаний на нагружение образца истинным напряжением, изменяющимся по заданному закону в области больших деформаций.
В основу полезной модели поставлена задача расширения функциональных возможностей устройства путем обеспечения проведения механических испытаний образцов эластомерных материалов в трех режимах: деформирование, нагружение силой, нагружение истинным напряжением, изменяющимися по заданному закону в области больших деформаций.
Поставленная задача решается тем, что устройство для механических испытаний образцов эластомерных материалов, содержащее механизм деформирования образца с электродвигателем, силоизмеритель, генератор сигналов заданной формы, деформометрическую систему, механически связанную с электродвигателем, коммутатор, схему сравнения, выход которой электрически связан с электродвигателем, а входы с выходом генератора и подвижным контактом коммутатора, два других контакта которого связаны соответственно с деформометрической системой и силоизмерителем, дополнительно снабжено вторым коммутатором и корректором, механически связанным с механизмом деформирования образца и содержащим соединенные между собой переменный резистор и реохорд, подключенный с одной стороны к выходу генератора сигналов заданной формы и одному из неподвижных контактов второго коммутатора, а с другой - к второму неподвижному контакту второго коммутатора, подвижный контакт которого соединен с одним из входов схемы сравнения, причем величина переменного резистора корректора пропорциональна длине образца.
Благодаря перечисленной совокупности существенных признаков устройство позволяет обеспечить для образцов эластомерных материалов три режима испытаний - деформирование, нагружение силой, нагружение истинным напряжением, изменяющимися по заданному генератором сигналов закону в области больших деформаций.
Функциональная схема устройства представлена на фиг.1.
Устройство для механических испытаний образцов эластомерных материалов в частном случае реализации содержит механизм деформирования образца 1, включающий подвижный и неподвижный захваты 2 и 3, тягу 4, установленную в направляющих 5 и связанную с захватом 2, трос 6, связанный с тягой 4, электродвигатель 7 с блоком 8, на котором закреплен трос 6, тягу 9, связанную с захватом 3; силоизмеритель 10, включающий последовательно соединенные упругую мембрану 11, связанную с тягой 9, измерительную емкость 12, преобразователь 13, частотомер 14 и регистрирующий прибор 15; генератор 16 сигналов заданной формы; деформометрическую систему 17, включающую регистрирующий прибор 18 и два реохорда 19 и 20, механически связанные с блоком 8, схему сравнения 21, два коммутатора 22 и 23, корректор 24, содержащий соединенные между собой реохорд 25 и переменный резистор 26. Реохорд 20 связан с регистрирующим прибором 18. Схема 21 сравнения выходом электрически связана с электродвигателем 7, один ее вход связан с подвижным контактом коммутатора 22, а другой с подвижным контактом второго коммутатора 23. Корректор 24 механически связан с блоком 8. Реохорд 25 с одной стороны подключен к выходу генератора 16 сигналов заданной формы и одному из неподвижных контактов коммутатора 23, а с другой - к второму неподвижному контакту коммутатора 23.
Устройство работает следующим образом.
Режим испытаний, например нагружение истинным напряжением, изменяющимся по заданному закону, задают коммутаторами 22 и 23. С помощью подвижного контакта коммутатора 22 к одному входу схемы 21 сравнения подключается выход силоизмерителя 10 (частотомера 14). С помощью подвижного контакта второго коммутатора 23 к другому входу схемы 21 сравнения подключается точка соединения переменного резистора 26 и реохорда 25 (выход корректора 24).
Образец 1, устанавливают в захватах 2 и 3. Выставляют значение переменного резистора 26 в соответствии с начальной длиной образца. Включают генератор 16 сигналов заданной формы. В схеме 21 сравнения происходит сравнение прошедшего через корректор 24 сигналов генератора 16 U(t) и силоизмерителя 10. Усиленный сигнал ошибки подается со схемы 21 сравнения на электродвигатель 7, который вращает блок 8. Последний наматывает на себя трос 6, перемещает тягу 4 в направляющих 5 и растягивает образец 1. Возникающее в образце 1 усилие воздействует на упругую мембрану 11 и, прогибая ее, перемещает подвижную пластину измерительной емкости 12. Изменение емкости преобразуется преобразователем 13 в изменение частоты, измеряемой частотомером 14. Электрический сигнал частотомера 14 поступает на регистрирующий прибор 15 и через коммутатор 22 - на вход схемы 21 сравнения. Вращение электродвигателя 7 осуществляется таким образом, что усилие, возникающее в образце 1 и измеренное силоизмерителем 10, совпадает с усилием F(t), задаваемым генератором 16 сигналов заданной формы. Удлинение Δl образца 1 регистрируется регистрирующим прибором 18, на который подается напряжение с реохорда 20, положение подвижного контакта которого жестко связано с углом поворота блока 8. Деформация образца 1 приводит к увеличению его длины (удлинению) и соответствующему уменьшению площади поперечного сечения. Уменьшение площади поперечного сечения, возникающее из-за удлиненя, которое могло бы привести к росту реального напряжения на образце 1 и его отличие от задаваемого генератором 16 сигналов заданной формы, компенсируется корректором 24. Увеличение длины образца 1 приводит к повороту блока 8 и увеличению величины сопротивления реохорда 25. Сигнал задающего генератора 16 уменьшается за счет деления на реохорде 25 и переменном сопротивлении 26, по закону, обеспечивающему компенсацию роста напряжения в результате увеличения длины образца 1 при сохранении постоянства его объема.
Данное утверждение остается справедливым до момента образования «шейки» в условиях постоянства объема испытуемого образца.
Условие постоянства объема образца можно записать в виде
0
0
0
S·l=S(t)·(l+Δl),
0
где S - начальная площадь поперечного сечения образца;
0
l - начальная длина образца;
S(t) - текущая площадь поперечного сечения образца;
Δl - удлинение образца;
Значение действующего на образец истинного напряжения можно описать следующими уравнениями
1
2
0
2
F(t)=k·U(t), R26=k·l, R25=k·Δl
u
где σ(t) - величина истинного напряжения на образце;
F(t) - величина силы растягивающей образец;
U(t) - напряжение сигнала генератора 16 сигналов заданной формы;
1
k - коэффициент пропорциональности между силой растягивающей образец и напряжением сигнала генераторов сигналов заданной формы;
R25 - величина сопротивления реохорда 25;
R26 - величина сопротивления переменного резистора 26;
2
0
k - коэффициент пропорциональности между величинами сопротивлений реохорда 25 и резистора 26 и величинами начальной длины образца l и его удлинением Δl.
0
Из уравнения видно, что в случае одинаковой пропорциональности сопротивлений реохорда 25 и переменного резистора 26 и величинами начальной длины образца l и его удлинением Δl, закон изменения истинного напряжения совпадает с законом, заданным генератором сигналов заданной формы.
В режиме нагружения образца силой (условным напряжением) один из входов схемы 21 сравнения с помощью подвижного контакта второго коммутатора 23 подключается непосредственно к выходу генератора 16 сигналов заданной формы. Включают генератор 16 сигналов заданной формы. В схеме 21 сравнения происходит сравнение сигналов генератора 16 U(t) и силоизмерителя 10. Усиленный сигнал ошибки подается со схемы 21 сравнения на электродвигатель 7, который вращает блок 8. Последний наматывает на себя трос 6, перемещает тягу 4 в направляющих 5 и растягивает образец 1. Возникающее в образце 1 усилие воздействует на упругую мембрану 11 и, прогибая ее, перемещает подвижную пластину измерительной емкости 12. Изменение емкости преобразуется преобразователем 13 в изменение частоты, измеряемой частотомером 14. Электрический сигнал частотомера 14 поступает на регистрирующий прибор 15 и через коммутатор 22 - на вход схемы 21 сравнения. Вращение электродвигателя 7 осуществляется таким образом, что усилие, возникающее в образце 1 и измеренное силоизмерителем 10, совпадает с усилием F(t), задаваемым генератором 16 сигналов заданной формы. Удлинение Δl образца 1 регистрируется регистрирующим прибором 18, на который подается напряжение с реохорда 20, положение подвижного контакта которого жестко связано с углом поворота блока 8.
В режиме деформирования один из входов схемы 21 сравнения с помощью подвижного контакта коммутатор 23 подключается непосредственно к выходу генератора 16 сигналов заданной формы. Ко второму входу схемы 21 сравнения подключается выход деформометрической системы 17 (подвижной контакт реохорда 19). В этом случае вращение электродвигателя 7 осуществляется таким образом, что деформация, возникающая в образце 1 и измеренная деформометрической системой 17, совпадает с деформацией, задаваемой генератором 16.
Таким образом, устройство для механических испытаний образцов эластомерных материалов позволяет проводить испытания в режимах задания законов деформирования, нагружения силой, а так же истинным напряжением, изменяющимся по заданному закону в области больших деформаций, что расширяет функциональные возможности устройства.
Заявляемая полезная модель может быть использована при механических испытаниях не только эластомерных, но и других полимерных и композиционных материалов в области конечных деформаций.