Способ определения прочности нити при растяжении и устройство для закрепления образца

(51) МПК (2006) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПРОЧНОСТИ НИТИ ПРИ РАСТЯЖЕНИИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЗАКРЕПЛЕНИЯ ОБРАЗЦА(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт механики металлополимерных систем имени В.А.Белого Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Шилько Сергей Викторович Хиженок Вячеслав Федорович(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт механики металлополимерных систем имени В.А.Белого Национальной академии наук Беларуси(57) 1. Способ определения прочности нити при растяжении, по которому производят растяжение образца до разрушения и регистрируют диаграмму нагружения, отличающийся тем, что образец в виде петли, образованной узловым соединением концов нити, размещают на двух вращающихся оправках с положением узла вне контакта нити с оправками и определяют разрывное усилие для первой разрушенной ветви образца как половину максимального усилия на диаграмме растяжения, а идентификацию разрушенной части образца определяют по направлению вращения оправки. 2. Устройство для закрепления образца при определении прочности нити способом по п. 1, включающее корпус и цилиндрическую оправку, установленную на опоре вращения,при этом оправка размещена в корпусе с зазором между ее боковой поверхностью и внутренней поверхностью корпуса и имеет на боковой поверхности два одинаковых выступа,параллельных оси вращения оправки, причем величина зазоравыбрана из следующего соотношения 10180 1 2008.02.28, где- диаметр нити- высота выступа. 3. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что опора вращения закреплена консольно. Изобретение относится к испытательной технике и может быть использовано для определения прочности нитей, отдельных волокон, ленты, проволоки и т.п. В соответствии с известными способами поочередно проводят испытания образцов в виде фрагментов нити, волокна, ленты или проволоки, прикладывая к ним растягивающее усилие 1-3. Одноосное растяжение образцов обеспечивается автоматически благодаря их высокой гибкости. Существенным ограничением указанных способов является невысокая производительность, обусловленная невозможностью определения механических свойств образца в двух различных сечениях в ходе одного испытания, в частности, когда требуется сравнить прочность нити в исходном и ослабленном сечении (например в узле). Неодинаковые условия закрепления и различие в истории нагружения образцов являются причиной неидентичности испытаний, что снижает достоверность определения и сопоставления механических характеристик. Для повышения производительности испытаний предложен способ 4, по которому в захватах разрывной машины закрепляют стопу плоских образцов так, чтобы концы образцов выступали из захватов, растягивают стопу с постоянной скоростью при непрерывной регистрации нагрузки и измеряют удлинение. Для исключения проскальзывания образцов перед закреплением стопы обеспечивают прилегание плоских частей образцов с помощью фиксаторов, закрепляют за стопу так, что концы образцов выступают из захватов, затем размещают между выступающими концами образцов жесткие прокладки, прикладывают к стопе предварительную растягивающую нагрузку величиной не более 0,1 разрушающей нагрузки, в процессе приложения предварительной нагрузки фиксаторы отводят от стопы образцов, а в процессе выдержки при этой нагрузке измеряют установившееся значение начального удлинения образцов в стопе, которое учитывают при измерении общего удлинения. Способ позволяет повысить производительность за счет одновременного испытания группы образцов при их надежной фиксации вследствие эффекта заклинивания. Ограничением известного способа является сложная процедура испытания и невозможность идентификации разрушенных образцов. Кроме того, известный способ не позволяет надежно фиксировать образцы в виде нитей, отдельных волокон, ленты, проволоки и т.п. вследствие их малой изгибной жесткости и отсутствия эффекта заклинивания. Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является способ определения прочности материалов при растяжении 5, в котором аналогично способу 4 испытывается одновременно несколько образцов, о разрывной прочности отдельных образцов судят по скачкам усилия растяжения, а идентификацию разрушенного образца осуществляют при помощи двух силоизмерителей. Недостатками прототипа являются использование двух силоизмерителей, сложная процедура идентификации разрушенных образцов и невозможность идентификации при значительном разбросе прочности образцов, что имеет место при сравнении прочности нитей в узле и вне узла. Для закрепления образцов в разрывной машине применяют устройства в виде захватов(губок, цанговых зажимов) фрикционного типа 3, 6, 7. При использовании подобных фиксирующих устройств происходит занижение разрывной прочности, обусловленное концентрацией напряжений в зоне защемления образца жесткими губками, что вызывает преждевременное разрушение образца. 10180 1 2008.02.28 Для устранения обрыва нити в указанных местах в фиксирующих устройствах применяют эластичные (резиновые, деревянные, полимерные) прокладки, недостатком которых является нестабильность условий закрепления, связанная с износом и старением прокладочного материала. С этой целью применяют также захваты в виде оправок с закругленными кромками для и фиксацию образцов путем намотки. Так, известно устройство 6, содержащее пластину, в которой выполнена канавка в форме спирали, предназначенная для приема испытываемого волоконного материала и открытая в направлении приложения растягивающего усилия, а также крышку, положенную на пластину для закрывания указанной канавки, занимающей длину порядка 1,5 оборота по периметру. Ограничением известного технического решения является сложность обеспечения одинаковых условий испытания нитей различных диаметров, связанная с необходимостью изготовления спиральных канавок различной ширины, формирование которых включает операции точения и шлифования. Трудоемкость и низкая производительность при использовании устройства обусловлена необходимостью его разборки и сборки (снятия и наложения дополнительного элемента в виде крышки) при проведении каждого испытания. Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является устройство 7, в котором для закрепления нити предусмотрены цилиндрические оправки с возможностью поворота и фиксации в нужном положении. Для заправки концов нити на оправках имеются отверстия, а для реализации силы трения выполняются по крайней мере два витка нити на каждой оправке. Использование захватов с гладкой твердой поверхностью позволяет проводить испытания нитей различного диаметра в близких условиях закрепления. Однако устройство не позволяет автоматически закреплять образец и определять в ходе одного испытания прочность нити в двух сечениях, например, когда требуется сравнить прочность нити в узле и вне узла. Тем самым снижается эффективность известного устройства. Задачами изобретения являются повышение точности и производительности испытаний, в частности, определение прочности нити на одном образце в двух сечениях, например, в узле и вне узла идентификация разрушенного образца автоматическая фиксация образца. Решение указанных задач достигается тем, что по предлагаемому способу производят растяжение образца до разрушения и регистрируют диаграмму нагружения, причем образец в виде петли, образованной узловым соединением концов нити, размещают на двух вращающихся оправках с положением узла вне контакта нити с оправками и определяют разрывное усилие для первой разрушенной ветви образца как половину максимального усилия на диаграмме растяжения, а идентификацию разрушенной части образца определяют по направлению вращения оправки. Решение указанных задач достигается также тем, что предлагаемое устройство для закрепления образца при определении прочности нити включает корпус и цилиндрическую оправку, установленную на опоре вращения, при этом оправка размещена в корпусе с зазором между ее боковой поверхностью и внутренней поверхностью корпуса и имеет на боковой поверхности два одинаковых выступа, параллельных оси вращения оправки, причем величина зазоравыбрана из следующего соотношения,где- диаметр нити- высота выступа. Решение указанных задач достигается также тем, что опора вращения закреплена консольно. 3 10180 1 2008.02.28 На фиг. 1 представлена схема установки образца нити для испытания на растяжение на фиг. 2 показана фиксация нити после первоначального разрыва левой ветви образца на фиг. 3 показана фиксация нити после первоначального разрыва правой ветви образца на фиг. 4 показаны предельные углы поворота оправки на фиг. 5 показана установка оправки на консольно закрепленной опоре вращения на фиг. 6 показана диаграмма деформирования при растяжении двух образцов в виде отдельных нитей (непрерывной и образованной узловым соединением двух кусков), установленных в соответствии с прототипом на фиг. 7 показана диаграмма деформирования образца при растяжении с использованием предложенного технического решения. Как показано на фиг. 1, устройство включает корпус 1 и цилиндрическую оправку 2 на опоре вращения 3. Оправка имеет на боковой поверхности два одинаковых выступа 4,расположенных параллельно оси вращения оправки. Между цилиндрической поверхностью оправки и внутренней поверхностью корпуса имеется зазор для размещения образца нити 5. Зазор выбирается таким образом, чтобы обеспечить установку и свободное перемещение испытуемой нити, а высота выступов превышает величину зазора. Это выражается в следующем соотношении диаметра испытуемых нитей, зазора и высоты выступов оправки, где- диаметр нити- величина зазора- высота выступа. Таким образом, оправка имеет возможность свободного вращения в пределах углови ,определяемых началом касания и контактной деформацией образца выступами при вращении по направлению часовой стрелки и против часовой стрелки соответственно (фиг. 4). В соответствии с фиг. 1 два одинаковых устройства для закрепления нити устанавливают в захваты испытательной машины (на фиг. 1 не показана). После пропускания в зазоры устройств концов нити производят их связывание, получая образец 3 в виде замкнутой петли. Располагают образец таким образом, чтобы узел находился в пределах левой или правой ветви вне контакта с оправками. Использование варианта устройства в виде оправки на консольно закрепленной опоре вращения (фиг. 5) позволяет устанавливать заранее подготовленный (связанный в виде петли) образец. Так как в исходном состоянии выступы оправок не касаются корпуса, обеспечивается свободное движение нити в зазорах между оправками и корпусом, позволяя установить образец в требуемом положении. Затем производят его нагружение путем перемещения захватов испытательной машины. В условиях свободного движения нити относительно оправок в процессе натяжения происходит выравнивание усилий в левой и правой ветвях образца, что обеспечивает одинаковые условия испытания нити в узле и вне узла. Следовательно, усилие в каждой ветви образца равно половине нагрузки, прилагаемой к зажимам. В процессе натяжения в контакте нити и оправок возникают силы трения, пропорциональные давлениям нити на оправку и коэффициенту трения. Трение, наряду с криволинейной поверхностью оправки, способствует уменьшению натяжения нити по дуге контакта с оправкой и плавной передаче испытательной нагрузки на рабочие зоны (левую и правую ветви) образца, где локализуется разрушение при исчерпании прочности материала. Кроме того, трение обеспечивает поворот оправки и стопорение концов нити при разрыве одной из ветвей образца. Так, при первоначальном разрыве левой ветви (фиг. 2) правая ветвь, оставаясь в натянутом состоянии, посредством сил трения вызывает поворот оправок. Причем верхняя по схеме оправка поворачивается по часовой стрелке, а нижняя - против направления часовой стрелки. Происходит защемление концов нити выступами, как показано на фиг. 2. Дальнейший рост испытательной нагрузки сопровождается самостопорением нити вследствие ее заклинивания между корпусом и соответствующим выступом оправки. Нагружение продолжается до разрушения правой ветви образца. 4 10180 1 2008.02.28 Идентификацию разрушенной в первую очередь части образца производят по направлению вращения оправки (в данном случае разрушение левой ветви образца соответствует повороту по часовой стрелке верхней по схеме оправки). Аналогичная последовательность нагружения реализуется, если вначале разрушается правая ветвь образца. Усилие, соответствующее разрушению первой ветви образца, равно половине соответствующего усилия на диаграмме растяжения, а разрушающая нагрузка для оставшейся второй ветви образца численно равна усилию на диаграмме растяжения. Надежность фиксации образца в соответствии с предлагаемым техническим решением повышается при увеличении сцепления образца с оправкой. Этому способствует применение материала оправки с высоким коэффициентом трения, а также выполнение двух и более витков нити на оправке. С целью повышения надежности устройства целесообразно также снижение инерционности оправки и уменьшение момента трения в опоре. Предложенное техническое решение было реализовано с использованием в качестве нагружающего и силоизмерительного средства серийной испытательной машины 5567 для определения механических характеристик материалов при растяжении-сжатии. Для обеспечения свободного вращения оправок в качестве опор были использованы шарикоподшипники серии 80018. Испытывалась промышленно выпускаемая хлопчатобумажная нить диаметром 0,4 мм и длиной рабочего участка 200 мм со скоростью нагружения 200 мм/мин. Сравнивались результаты одновременного испытания двух образцов в виде отдельных нитей (непрерывной и образованной узловым соединением двух кусков), установленных во фрикционных захватах обычной конструкции при наличии эластичных прокладок из кожи(фиг. 6), и испытания образца в виде петли с использованием предлагаемого технического решения (фиг. 7). Для каждого способа было проведено по три испытания средние значения разрывного усилия, полученные из диаграмм растяжения (фиг. 6, 7), сведены в таблицу. Разрывное усилие в зависимости от способа закрепления нити и наличия узла Характеристика Разрывное 14,46 24,36 13,89 22,28 12,56 19,80 усилие, Н При испытании нитей согласно прототипу из-за неравномерного распределения испытательной нагрузки по образцам разрывная прочность в ослабленном сечении (в данном случае, в узле) заметно снижается (15 ). Погрешность менее заметна при испытании нити без узла, что обусловлено, очевидно, значительными предельными деформациями, способствующими выравниванию нагрузки. При уменьшении предельной деформации образцов погрешность определения деформационно-прочностных характеристик согласно прототипу возрастает. При испытании нити с использованием предлагаемого фиксирующего устройства равенство усилий на левой и правой ветвях образца сохраняется в основной период испытания, т.е. до нагрузки, близкой к предельной. Таким образом, величину разрывной нагрузки при первом разрушении (в узле) можно считать равной половине регистрируемого усилия 27,78/213,89 Н. Точность измерения разрывного усилия по предлагаемому техническому решению повышается при испытании в узле погрешность составляет (13,8912,56)/12,5610 . Вне узла достигается еще более высокая точность измерения прототип (24,36-19,80)/19,8023 , предлагаемое решение (22,28-19,80)/19,8012 . Следовательно, предложенное техническое решение позволяет повысить производительность и точность определения прочности нитей, проволоки, волокон, ленты и т.п. при растяжении при наличии ослабленных сечений, в частности, в узлах. 10180 1 2008.02.28 Источники информации 1. ГОСТ 6611.2-73. Нити текстильные. Метод определения разрывной нагрузки и удлинения при разрыве. 2. ГОСТ 10213.2-73. Волокно и жгут химические. Методы определения разрывной на грузки и разрывного удлинения. 3. Тарнопольский Ю.М., Кинцис Т.Я. Методы статических испытаний армированных пластиков. Изд. 2-е, перераб. - М. Химия, 1975. - С. 72. 4. А.с. СССР 1490555, МПК 01 3/00, 1989. 5. А.с. СССР 1589115, МПК 01 3/08, 1990 (прототип). 6. Патент Франции 2655423, МПК 01 3/04, 3/02, 1992. 7.,//. 2001. -. 5. -3. - . 41-50 (прототип). Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 6