Устройство для определения динамических характеристик полимерных нитей методом свободных продольных колебаний

Изобретение относится к области динамических испытаний высокоориентированных полимеров и может быть использовано для определения динамических характеристик полимерных нитей различной гибкости цепей. Устройство состоит из двух вертикальных стоек, на которых с возможностью вертикального перемещения закреплены узел для выведения системы образец-груз из положения равновесия и сельсин-датчик, двух горизонтальных платформ, к верхней из которых на одной оси последовательно закреплены верхний зажим образца и, через образец, его нижний зажим, представляющий собой вертикальный стержень с площадкой для установки наборного груза. Также на вертикальных стойках, с возможностью вертикального перемещения, размещена подвижная горизонтальная платформа, имеющая отверстие, центр которого совпадает с продольной осью образца и зажимов. В отверстии с возможностью вертикального перемещения расположен узел для выведения образца с грузом из положения равновесия, состоящий из электромагнита с сердечником, диаметр которого меньше диаметра отверстия. Помимо этого на подвижной платформе жестко закреплен еще один узел с роликовой системой, состоящей из трех пар роликов, расположенных под углом 120° друг относительно друга и обхватывающих нижний зажим, сечение которого представляет собой правильный шестигранник, по трем его боковым граням. Верхний зажим выполнен в виде консоли, на которой жестко закреплен тензодатчик. Технический результат - повышение достоверности определения динамических характеристик полимерных нитей. 2 ил.

 

Изобретение относится к области динамических испытаний высокоориентированных полимеров и может быть использовано для определения динамических характеристик полимерных нитей различной гибкости цепей (например, СВМ, терлон, армос, лавсан), преимущественно для определения динамического модуля упругости, модуля механических потерь, тангенса угла механических потерь и коэффициента жесткости.

Наиболее близким по совпадению признаков к заявляемому является устройство, опубликованное в АС № 1647353 А1, СССР, МПК G 01 N 3/30, 7 мая 1991 г., бюллетень № 17, "Способ определения динамических характеристик комплексных нитей в процессе ползучести." В способе используется устройство, состоящее из двух вертикальных стоек, на которых с возможностью вертикального перемещения закреплены устройство для выведения системы образец-груз из положения равновесия, представляющее собой пружинный ударник с бойком, и сельсин-датчик, а также из двух горизонтальных платформ, к верхней из которых на одной оси закреплены верхний зажим образца, образец исследуемой комплексной нити и нижний зажим образца, представляющий собой цилиндрический стержень с отверстием для установки плеча сельсин-датчика и площадкой для установки наборного груза. Вертикально подвешенный образец статически нагружают грузом, обеспечивающим возникновение в нити процесса ползучести. После выдержки образца под нагрузкой в течение 1 минуты, для достижения заданной деформации ползучести, возбуждают продольные колебания образца ударом бойка пружинного ударника по площадке с грузом снизу-вверх. Силу ударного нагружения выбирают из условия возбуждения колебаний с амплитудой, не большей величины упругих деформаций нагруженного образца. С помощью сельсин-датчика, закрепленного с возможностью вертикального перемещения на одной из вертикальных стоек устройства, регистрируют частоту возбужденных колебаний, по которым определяют динамические характеристики комплексной нити.

Обладая рядом преимуществ на момент регистрации, описанное устройство выявило ряд недостатков, а именно:

- в связи с отсутствием контроля за совпадением точки приложения импульса со стороны бойка пружинного ударника по площадке снизу-вверх с продольной осью нити, в случае нецентрального удара бойка пружинного ударника по площадке снизу-вверх могут возникнуть нежелательные поперечные колебания образца с грузом, что приведет к искажению ожидаемого колебательного процесса и увеличит погрешность при определении динамических характеристик полимерных нитей;

- при выведении в прототипе системы образец-груз из положения равновесия деформация образца проявляется не мгновенно, а через определенный промежуток времени, т.к. при ударе образец сначала движется вверх под действием импульса со стороны ударника, затем, достигнув максимального отклонения от своего положения равновесия, движется вниз под действием силы тяжести и, только пройдя положение равновесия, деформируется под действием квазиупругой силы, возникающей в образце при смещении от положения равновесия;

- в прототипе предусмотрено только устройство для измерения деформации, что не позволяет экспериментально определить напряжение.

Техническим результатом заявляемого решения является одновременное устранение всех указанных недостатков, а именно повышение достоверности определения динамических характеристик полимерных нитей, таких как динамический модуль упругости, модуль механических потерь, тангенс угла механических потерь и коэффициент жесткости, путем исключения возможных поперечных колебаний образца с грузом, мгновенного приложения усилия при выведении образца из положения равновесия и снижения погрешности при определении напряжения в образце за счет экспериментального измерения напряжения с помощью тензодатчика.

Поставленная задача решается тем, что в устройстве для определения динамических характеристик полимерных нитей методом свободных продольных колебаний, состоящем из двух вертикальных стоек, на которых с возможностью вертикального перемещения закреплены узел для выведения системы образец-груз из положения равновесия и сельсин-датчик, а также двух горизонтальных платформ, к верхней из которых на одной оси последовательно закреплены верхний зажим образца и, через образец, его нижний зажим, представляющий собой вертикальный стержень с площадкой для установки наборного груза, на вертикальных стойках, с возможностью вертикального перемещения, дополнительно размещена подвижная горизонтальная платформа, имеющая отверстие, центр которого совпадает с продольной осью образца и зажимов, в котором также с возможностью вертикального перемещения расположен узел для выведения образца с грузом из положения равновесия, состоящий из электромагнита с сердечником, диаметр которого меньше диаметра отверстия, и на которой жестко закреплен еще один узел с роликовой системой, обхватывающей вертикальный стержень нижнего зажима, сечение которого представляет собой правильный шестигранник, по трем его боковым граням, расположенным под углом 120° друг относительно друга, а верхний зажим выполнен в виде консоли, на которой жестко закреплен тензодатчик.

Известно устранение нежелательных поперечных колебаний при определении динамических характеристик полимерных нитей в процессе колебаний (см. АС № 1303885 А1, СССР, МПК G 01 N 3/30, опубликованное 15 апреля 1987 г., бюллетень № 14 "Способ определения вязкоупругих свойств комплексных нитей"). В способе образец, предварительно растянутый весом груза, закрепленного на его нижнем конце, поднимают с грузом за верхний захват образца на заданную высоту h и сбрасывают. Ударное нагружение образца достигается при остановке верхнего захвата. Для определения вязкоупругих характеристик, например динамической жесткости, коэффициента механических потерь, регистрируют частоту и декремент затухания продольных колебаний образца.

Однако в указанной конструкции во время удара верхнего захвата по верхней горизонтальной платформе возбуждаются вынужденные продольные колебания образца с грузом за счет колебания верхней платформы, получившей импульс со стороны верхнего захвата образца. В добавление к сказанному, неравномерность трения при скольжении верхнего захвата образца по отверстию верхней горизонтальной платформы вызывает нежелательные низкочастотные поперечные и крутильные колебания.

Таким образом, только заявляемая совокупность признаков, наличие дополнительных признаков и их выполнение позволяют достичь результата, изложенного в разделе цель изобретения, что позволяет сделать вывод о наличии критерия изобретательский уровень.

На фигурах 1 и 2 представлена схема заявляемого устройства для определения динамических характеристик полимерных нитей методом свободных продольных колебаний, состоящего из следующих основных узлов:

- из нижней 1 и верхней 2 горизонтальных платформ (фиг.1), к верхней из которых 2 на одной оси последовательно закреплены верхний зажим консольного типа 3 с тензодатчиком 4, питание на который подается от тензостанции (на фигуре 1 не указана), образец исследуемой полимерной нити 5 и нижний зажим 6, выполненный в виде шестигранного стержня с площадкой 7 для установки наборного груза 8;

- двух вертикальных стоек 9 и 10 (фиг.1), на которых с возможностью вертикального перемещения закреплена подвижная горизонтальная платформа 11 с отверстием 12, в котором расположен электромагнит 13, состоящий из металлического сердечника с обмоткой, напряжение на который подается от источника тока (на фигуре 1 не указан), диаметр которого меньше диаметра отверстия 12, а продольная ось совпадает с продольной осью нижнего зажима 6 и продольной осью образца исследуемой полимерной нити 5, а также сельсин-датчик 14, сигнал от которого идет на шлейфный осциллограф типа Н-117 (на фигуре 1 не указан) и плечо которого фиксируется на оси нижнего зажима 6 образца нити 5;

- дополнительный узел 15 (фиг.1), жестко закрепленный на подвижной горизонтальной платформе 11 и представляющий собой роликовую систему, состоящую из трех пар роликов 16, обхватывающих с трех сторон шестигранный стержень нижнего зажима 6 по трем его граням, расположенным под углом 120° (фиг.2, поз. 6 и 16), который проскальзывает между ними в процессе своего вертикального движения около положения равновесия.

Способ определения динамических характеристик полимерных нитей методом свободных продольных колебаний включает в себя несколько этапов. На этапе подготовки устройства к испытаниям на электромагнит 13 подают заданное напряжение, после чего металлический сердечник электромагнита 13 поднимается на заданную высоту. Площадку 7 нижнего зажима 6 устанавливают на верхнее основание металлического сердечника электромагнита 13, обеспечивая, таким образом, отсутствие усилия в образце 5 при приложении внешнего усилия. На этапе проведения испытаний на площадку 7 нижнего зажима 6 устанавливают статический наборный груз 8, не вызывающий усилия в образце 5 из-за реакции со стороны металлического сердечника электромагнита 13. Отключают питание на электромагнит 13, после чего металлический сердечник электромагнита 13 опускается в отверстие большего диаметра 12, прорезанное в подвижной горизонтальной платформе 11, а образец 5 с грузом 8 деформируется, совершая продольные колебания около своего положения равновесия. С помощью тензодатчика 4, расположенного на верхнем зажиме консольного типа 3, регистрируют усилие в образце, а с помощью сельсин-датчика 14, закрепленного с возможностью вертикального перемещения на вертикальной стойке 10 одновременно регистрируют частоту и амплитуду, по которым определяют динамические характеристики комплексных нитей, а именно динамический модуль упругости Е_дин., коэффициент жесткости k_ж, тангенс угла механических потерь tg δ и динамический модуль механических потерь Е_пот, известным способом:

где l - длина нити, γ - плотность нити, Т - линейная плотность нити, m - масса подвешиваемого груза, ω - циклическая частота колебаний нити с грузом.

где Δ - логарифмический коэффициент затухания.

Е_ПОТ=Е_дин·tgδ .

Устройство для определения динамических характеристик полимерных нитей методом свободных продольных колебаний, состоящее из двух вертикальных стоек, на которых с возможностью вертикального перемещения закреплен узел для выведения системы образец-груз из положения равновесия и сельсин-датчик, а также двух горизонтальных платформ, к верхней из которых на одной оси последовательно закреплены верхний зажим образца и через образец его нижний зажим, представляющий собой вертикальный стержень с площадкой для установки наборного груза, отличающееся тем, что на вертикальных стойках с возможностью вертикального перемещения дополнительно размещена подвижная горизонтальная платформа, имеющая отверстие, центр которого совпадает с продольной осью образца и зажимов, в котором также с возможностью вертикального перемещения расположен узел для выведения образца с грузом из положения равновесия, состоящий из электромагнита с сердечником, диаметр которого меньше диаметра отверстия, и на которой жестко закреплен еще один узел с роликовой системой, состоящей из трех пар роликов, расположенных под углом 120° относительно друг друга и обхватывающих нижний зажим, сечение которого представляет собой правильный шестигранник, по трем его боковым граням, а верхний зажим выполнен в виде консоли, на которой жестко закреплен тензодатчик.