Способ для определения упруго-вязкой и вязкой среды
Владельцы патента RU 2747933:
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева-КАИ" (RU)
Изобретение относится к области контрольно-измерительного оборудования для определения вида среды, в частности вида полимерных сред. Устройство для определения упруго-вязкой и вязкой среды состоит из двух коаксиальных цилиндров, имеющих вращение, между которыми находится полимерная смола, при этом наружный цилиндр имеет устройство, задающее вращательное колебательное движение с определенной амплитудой и определенной частотой, внутренний цилиндр подвешен на цилиндрической трубке, один конец которой связан с цилиндром, а другой конец связан с неподвижным корпусом устройства, цилиндрическая трубка является цилиндрической пружиной при крутильных колебаниях внутреннего цилиндра, внутренний цилиндр имеет устройство, регистрирующее процесс колебаний цилиндра, амплитуду, частоту и резонансную частоту, которая определяет принадлежность среды к упруго-вязкой среде, отсутствие резонанса внутреннего цилиндра свидетельствует о том, что смола относится к вязким средам. Техническим результатом является возможность определения упруго-вязкой среды и вязкой среды. 1 ил.
Изобретение относится к области контрольно-измерительного оборудования для определения вида среды, в частности вида полимерных сред: упруго-вязкая среда или вязкая среда.
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 сдвиговых 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:
Упругие компоненты упругого напряжения, например, при затекании смолы в межнитьевое пространство ткани (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 необходимо учитывать вид среды: упруго-вязкой или вязкой средой является смола. Однако существующие приборы не позволяют это сделать.
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, диска, шпинделя, погруженного в анализируемый материал, который, в свою очередь, предварительно помещают в резервуарный цилиндр. Далее на определенной скорости вращения измерительного цилиндра, диска, шпинделя, посредством измерения сопротивления вещества определяют показатели вязкости. К недостаткам этих устройств относится то, что они позволяют определять только вязкую составляющую среды.
В ротационных вискозиметрах серий ST-2001 L-H фирмы AWTech реализован принцип вращения шпинделя для измерения вязкости в диапазоне от 0,02 Па⋅с - 106⋅103 Па⋅с [2]. Недостатком вискозиметров AWTech ST-2001 L-H является необходимости использования большого объема исследуемой жидкости, недостаточно низкий нижний предел измерений вязкости. В этих вискозиметрах невозможно определять упругую составляющую вязко-упругих сред.
Вязкость может определяться путем использования различных типов соосно расположенных цилиндров, вращающихся с различной угловой скоростью. В ротационных вискозиметрах с коаксиально 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 среды.
Из вискозиметров указанного типа отметим ротационный вискозиметр, включающий 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 полого 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 и делает его непригодным при установлении типа жидкости: упруго-вязкая или вязкая среда.
Известен 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 улучшение диагностических возможностей вискозиметрических измерений.
Технической задачей, на решение которой направлено данное техническое устройство, является определение вида среды, в частности, полимерных сред: упруго-вязкой средой и вязкой средой является полимер.
Технический результат предлагаемого устройства заключается в определения упруго-вязкой среды и вязкой среды и построении технологического процесса в соответствии с видом среды, в частности, в построении технологического процесса изготовления композиционного материала.
Технический результат достигается путем регистрирования наличия или отсутствия резонанса колебаний внутреннего цилиндра предлагаемого технического устройства.
В заявке предлагается конструкция, состоящая также из двух цилиндров, внутреннего 1 и наружного 2, между которыми помещается испытуемая смола 3 (см. чертеж). 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 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.
Список использованных источников
1. Ходкевич Д.Д., Соколов В.П. Лабораторные работы по молекулярной физике №165, 166. Метод, указания - М.: РГУ нефти и газа, 1998. стр. 5, ГОСТ 29226-91
2. http:www.awt.ru/index.hph?ocd=view&id=6156-6157.
3. Авторское свидетельство СССР №757925 от 22.05.78.
4. Патент RU 118063 U1 Устройство для определения вязкоупругих свойств текучих сред.
Устройство для определения упруго-вязкой и вязкой среды, состоящее из двух коаксиальных цилиндров, имеющих вращение, между которыми находится полимерная смола, отличающееся тем, что наружный цилиндр имеет устройство, задающее вращательное колебательное движение с определенной амплитудой и определенной частотой, внутренний цилиндр подвешен на цилиндрической трубке, один конец которой связан с цилиндром, а другой конец связан с неподвижным корпусом устройства, цилиндрическая трубка является цилиндрической пружиной при крутильных колебаниях внутреннего цилиндра, внутренний цилиндр имеет устройство, регистрирующее процесс колебаний цилиндра, амплитуду и частоту, и резонансную частоту, которая определяет принадлежность среды к упруго-вязкой среде, отсутствие резонанса внутреннего цилиндра свидетельствует о том, что смола относится к вязким средам.
