СПОСОБ ДЛЯ СКОРОСТНЫХ УДАРНЫХ ИСПЫТАНИЙ ВОЛОКОННЫХ НИТЕЙ, ЖГУТОВ, ОБРАЗЦОВ ТКАНЕЙ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1999 года по МПК G01N3/30 

Изобретение относится к испытательной технике, используемой при подготовке к производству волоконных нитей, жгутов, тканей, а также изделий из них.

Известны способ и устройство определения вязкоупругих свойств комплексных нитей (см. авт.св. СССР N 1303885, кл. G 01 N 3/30 от 1986 г.), по которым испытуемый образец закрепляют в двух подвижных захватах.

Наиболее близким к предлагаемым изобретениям являются способ и устройство по авт.св. N 832415, кл. G 01 N 3/30 от 1979.

Согласно известному способу испытуемый образец закрепляют в подвижном и неподвижном соосных захватах и осуществляют импульсное силовое воздействие на подвижный захват.

Известное устройство содержит подвижный и неподвижный соосные захваты для закрепления испытуемого образца, силовой механизм для импульсного воздействия на подвижный захват, измерительные приборы.

Общим недостатком всех известных технических решений является следующее:
Трудность обеспечения достоверности контроля физико-механических свойств в метрологическом отношении многоволоконной системы (нити, жгута, ткани), заключающееся в следующем:
1) сложно надежно зафиксировать волоконную систему в захватах традиционного типа без "относительного" проскальзывания;
2) трудно учесть "внутренние" проскальзывания единичных фрагментов волокон при множественном разрушении нити;
3) сложно обеспечить идентичность закрепления нитей из волокон с различной физико-химической природой;
4) в условиях приложения динамических нагрузок необходимо устранять факторы возбуждения "случайных" колебаний системы, резко ухудшающих качество регистрации требуемых параметров свойств образцов;
5) весьма зауженный спектр характеристик свойств волокон, определяемых известными способами;
6) сложно идентифицировать закон нагружения в динамически нагружаемых образцах с законами нагружения, реализуемых, например, в традиционных статических методах испытаний волокон.

Техническая задача, решаемая изобретениями, заключается в устранении отмеченных недостатков, что обеспечит повышение информативности испытаний волокон и тканей.

Указанная техническая задача решается тем, что в способе скоростных ударных испытаний волоконных нитей, жгутов и тканей, по которому испытуемый образец закрепляют в подвижном и неподвижном соосных захватах и осуществляют импульсное силовое воздействие на подвижный захват, в соосных захватах закрепляют среднюю часть испытуемого образца, а его концы закрепляют в по крайней мере одном дополнительном неподвижном захвате, при этом смежные участки испытуемого образца, ограниченные захватами, располагают под углом друг к другу.

В устройстве для решения поставленной задачи используют конкретные конструкции захватов, позволяющие реализовать операции способа, при этом каждый из соосных захватов может включать в себя конический элемент и средства для фиксации испытуемого образца на внешнем торце конического элемента и его боковой поверхности, один дополнительный захват может быть выполнен с заостренными зажимными губками, а другой дополнительный захват может быть выполнен с плоскими зажимными губками.

При другом варианте каждый из соосных захватов включает в себя конический элемент с осевым отверстием и средства для фиксации испытуемого образца на внешнем торце конического элемента и его осевом отверстии.

Механизм для импульсного сильного воздействия на подвижный захват включает в себя стержневой волноводный ударник, приемный пуансон и узел формирования нагружающего импульса с датчиком его контроля, который включает корпус с отверстием для размещения в нем упруго-эластичной направляющей втулки, охватывающей последовательно расположенные приемный пуансон, упругий динамометрический элемент с тензорезистором и инерционный элемент с кронштейном, связанным с элементом подвижного захвата через эластичный вкладыш.

Сопряжение приемного пуансона и упругого динамометрического элемента может быть выполнено по сферическим поверхностям или посредством вкладышей: сферического, цилиндрического или комбинации цилиндрического и деформируемого вкладышей.

Изобретения поясняются чертежами. На фиг. 1 показана принципиальная схема устройства для высокоскоростных импульсных испытаний волоконных образцов; на фиг. 2 - узел формирования нагружающего импульса; на фиг. 3 - варианты сопряжения приемного пуансона и упругого динамометрического элемента; на фиг. 4 - система захватов динамометрического испытательного устройства; на фиг. 5- схемные варианты фиксирования испытуемых волокон в захватах; на фиг. 6 - график сопоставления динамических импульсов сил, развивающихся в узле формирования нагрузки P₁(t) и в образце P₂(t).

Устройство включает в себя:
1 - Стержневой волноводный ударник;
2 - Приемный пуансон;
3 - Корпус устройства;
4 - Узел формирования нагружающего импульса;
5 - Датчик контроля нагружающего импульса;
6 - Узел (элемент) подвижного захвата;
7 - Фиксирующий корпус подвижного захвата;
8 - Образец;
9 - Неподвижный захват с плоскими губками;
10 - Неподвижный захват с заостренными губками;
11 - Фиксирующий конус неподвижного захвата;
12 - Датчик контроля импульса разрушающей нагрузки в образце.

Узел формирования нагружающего импульса включает в себя:
13 - Упруго-эластичная направляющая втулка;
14 - Упругий динамометрический элемент (с тензорезисторами) для определения нагружающего импульса P₁(t);
15 - Инерционный элемент;
16 - Кронштейн;
17 - Жесткий вкладыш;
18 - Эластичный вкладыш;
6 - Подвижный захват (элемент);
19 - Пьезоэлектрический датчик для определения импульса разрушающего отклика образца P₂(t).

Сопряжения приемного пуансона и упругого динамометрического элемента могут иметь следующие варианты (фиг. 3):
а) По сферическим поверхностям.

б) Через сферический вкладыш 20.

в) Через цилиндрический вкладыш 21.

г) Через комбинацию: цилиндрический вкладыш 21 и податливый (деформируемый) вкладыш 22.

Система захватов динамического испытательного устройства включает в себя следующие элементы (фиг. 4):
23 - Корпус захвата;
24 - Фиксирующий конус;
25 - Фиксирующий конус подвижного захвата;
26 - Корпус подвижного захвата;
27 - Элемент сопряжения с кронштейном;
28 - Фиксирующий резьбовой валик подвижного захвата;
7 - Образец;
10 - Неподвижный захват с заостренными губками;
9 - Неподвижный захват с плоскими губками;
29 - Фиксирующий резьбовой валик;
30 - Корпус пьезоэлектрического датчика.

На фиг. 5 - представлены схемные варианты фиксирования испытуемых волокон в захватах:
а) С нецентральным размещением основной рабочей зоны 31 испытуемого волокна 8;
б) С центральным размещением основной рабочей зоны 31;
32 - фиксирующий клеевой слой.

Стрелками условно показано направление усилий фиксирования испытуемых волокон.

Работает устройство и осуществляется способ следующим образом.

Образец из волоконной нити (или из волоконного жгута) фиксируется в захватной системе по определенной траектории (см. фиг. 5 ), согласно которой:
свободная в пространстве рабочая зона образца с двух сторон фиксируется конусными элементами, размещенными в соосно установленных подвижном и неподвижном захватах;
далее волокно огибает торцевые части обоих конусов и дополнительно поджимается согласованными торцевыми валиками;
свободные концы волоконного образца выходят из вышеназванных захватов и далее фиксируются третьим захватом с заостренными губками и затем - четвертым захватом с плоскими губками.

Заданным образом сформированный импульс динамической нагрузки подводится к образцу посредством подвижного захвата.

В процессе испытаний одна часть образца неподвижна, вторая часть - подвергается импульсно-волновому воздействию через подвижный захват.

Нагружающий импульс формируется таким образом, чтобы обеспечивалась определенная длительность разрушающего импульса нагрузки, что обеспечивает достижение необходимых скоростей деформации рабочих зон образцов.

В описанной захватной системе может быть подвергнута и импульсному воздействию, как единичная нить, так и параллельный комплекс нескольких нитей из однотипных или разнотипных волокон, фиксируемых по описанной выше траектории укладки в захватах.

Описываемый способ предусматривает схемы нагружения испытуемых нитей и тканей:
а) одноосное растяжение только одной зоны волоконной нити: на участке между соосными конусами;
б) комбинированное растяжение двух зон испытуемой нити: на участке между соосными конусами, и на участке между подвижным захватом и системой неподвижных боковых захватов;
в) комбинированное растяжение одной зоны испытуемой нити: на участке между подвижным захватом и системой неподвижных боковых захватов;
г) одноосное растяжение рабочей зоны образцы ткани на участке между соосными конусами.

По схеме п. г) предусмотрено два варианта испытаний образцов:
1) образцов в виде полосок фиксированной ширины, укрепляемых в системе захватов, аналогично образцу нити по схеме a);
2) образцов в виде замкнутого по цилиндрической поверхности контура из сплошного фрагмента ткани. При этом фрагмент ткани оборачивается вокруг поверхностей конусов, поджимается поверхностями конусов (боковыми и торцевыми) и также фиксируется дополнительными неподвижными захватами.

В процессе импульсного нагружения нити или образца ткани регистрируют два импульса динамических сил:
a) импульс P₁(t) предварительно сформированной и подводимой к образцу динамической нагрузки;
b) импульс P₂(t) развивающегося в испытуемом образце динамического усилия отклика последнего на импульсную нагрузку.

Используемая система захватов позволяет:
- зафиксировать образец с устранением эффекта "относительного" проскальзывания волокон. Об этого убедительно свидетельствует характер осциллограмм, не имеющих "зон проскальзывания"
- посредством введения вторичного захвата 10 с заостренными губками значительно ограничить эффект "внутреннего" проскальзывания единичных фрагментов во всех зонах образца, кроме рабочей зоны. Об этом свидетельствует последующее излучение всех зон образцов, подвергнутых разрушающему импульсному воздействия;
- устранить "случайные" колебания свободной рабочей части образца. Осциллограммы не имеют наложенных высокочастотных колебательных мод. Без данной системы закрепления образцов колебательный фон практически всегда присутствует на осциллограммах;
- обеспечить закон нагружения ε = const, что дает возможность обоснованно сопоставлять получаемые данным способом результаты испытаний с результатами, получаемыми другими, например статическими методами, реализующими тот же закон нагружения;
- определять широкий спектр деформационно-прочностных характеристик испытуемых волокон и, в частности:
- диаграмму деформирования в координатах "динамическое усилие - деформация";
- разрушающие нагрузки;
- разрушающие комплексные деформации волокон;
- полную энергоемкость разрушения волоконной системы;
- затраты энергии (и ее интенсивность) на развитие отдельных этапов деформирования и разрушения нити.

Предлагаемая система захватов предусматривает многопозиционное закрепление волокон в рабочем состоянии. Рассмотрим позиции фиксирования различных зон волоконного образца:
Вариант на фиг. 5, а): Волокно фиксируется по гладкой поверхности конусных вкладышей; далее по гладким поверхностям торцев конусных вкладышей; далее - заостренными кромками неподвижного захвата 10; далее плоскими поверхностями захвата 9.

В этом варианте единичный образец расположен не по центральной оси конусных вкладышей. Схема поджима на поверхностях фиксации условно показана стрелками.

Вариант на фиг. 5 б): Отличается от предыдущего только тем, что начальное закрепление образца осуществляется через пропитывающий и отвержденный клеевой слой 32 в центральной области разрезных полуконусов. Далее образец фиксируется также, как и в предыдущем варианте.

При варианте фиг. 5 а) возможны виды испытаний:
1) Показанный на фиг. вид испытания одиночной нити (жгута);
2) Испытание одновременно двух нитей (фиг. 4), расположенных напротив друг друга по диаметру конусных вкладышей;
3) Испытание одновременно нескольких нитей, располагаемых равномерно по окружности сечений конусных вкладышей.

Виды испытаний 2) и 3) целесообразны для излучения эффектов взаимного влияния друг на друга волокон различной физико-химической природы.

Использование захвата 10 с заостренными губками позволяет стабилизировать выходящие из первичного зацепления концы волокон; ограничить "внутреннее" скольжение фрагментов разрушающихся пучков волокон.

Захват 9 с плоскими губками позволяет дополнительно компенсировать волновую энергию импульсного воздействия, распространяющуюся из рабочей зоны волоконного образца и способную вызывать "случайные" колебательные моды.

Конкретная реализация изобретений осуществляется следующим образом:
Производится импульсное воздействие ударником 1 по приемному пуансону 2, размещенному в корпусе 3 узла 4 формирования нагружающего импульса P₁(t). В отдельном узле 6 осуществляется передача импульса нагрузки "подвижному" захвату 7 и образцу 8. Неподвижный захват 11 совмещен с датчиком пьезоэлектрического типа 12 для контроля импульса реакции образца P₂(t) на динамическую нагрузку. Дополнительное фиксирование образца в процессе испытания осуществляется захватами 9 и 10. Выход с датчиков 5 и 12 соединен с комплексом регистрирующей аппаратуры, в состав которого входит: широкополосной усилитель, цифровой запоминающий осциллограф, персональный компьютер, фотоэлектрический согласующий прибор и др.

Сигналы импульсов P₁(t) и R₂(t) регистрируются и подвергаются вычислительной обработке по специальной программе.

Система последовательных элементов, сопряженных с пуансоном 2, размещена в продольной упруго-эластичной втулке 13, которую целесообразно изготавливать из материалов, типа фторопластов. Совмещение пуансона 2 и упругого динамометрического элемента 14 произведено по гладкой скользящей поверхности, а совмещение остальных элементов узла 4 осуществляется жестко. В специальном гнезде кронштейна 16 установлено звено регулирования параметров сопряжения кронштейна и подвижного захвата 6 (показано условно). На фиг. 2 дан вариант этого звена, состоящего из жесткого вкладыша 17 и упруго-эластичной опоры 19.

Вкладыш 22 может быть изготовлен из фторопласта, различных эластомеров и т. п. Цилиндрический вкладыш 21 целесообразно изготавливать из титанового сплава.

Предлагаемые варианты сопряжения пуансона 2 и элемента 14 являются одним из способов регулирования параметров импульса P₁(t) по : длительности, форме импульса, достигаемым уровням динамических усилий на различных временных этапах развития импульса и т.д.

Другими факторами регулирования (и назначения) импульса P₁(t) являются:
- инерционный элемент 15;
- звено сопряжения кронштейна 16 и захвата 6.

Изобретение относится к испытательной техники, используется при подготовке к производству волоконных нитей, жгутов и тканей, а также изделий из них. Способ заключается в том, что в подвижном и неподвижном захватах закрепляют среднюю часть испытуемого образца, а концы - в по крайне мере одном дополнительном захвате. Смежные участки испытуемого образца, ограниченные захватами, располагают под углом друг к другу. Осуществляют импульсное силовое воздействие на подвижный захват. Устройство содержит волноводный стержнеобразный ударник, узел формирования нагружающего импульса со встроенным датчиком для контроля начального импульса динамической нагрузки, захватно-фиксирующий узел для крепления образца и возбуждения в нем заданного импульса нагрузки, датчиковый узел для контроля параметров. Изобретения позволяют повысить информативность испытаний и надежность определения параметров. 2 c. и 7 з.п.ф-лы, 6 ил.

1. Способ скоростных ударных испытаний волоконных нитей, жгутов и образцов тканей, по которому испытуемый образец закрепляют в подвижном и неподвижном соосных захватах и осуществляют импульсное силовое воздействие на подвижный захват, отличающийся тем, что в соосных захватах закрепляют среднюю часть испытуемого образца, а его концы закрепляют в по крайней мере одном дополнительном неподвижном захвате, при этом смежные участки испытуемого образца, ограниченные захватами, располагают под углом друг к другу. 2. Устройство для скоростных ударных испытаний волоконных нитей, жгутов и образцов тканей, содержащее подвижный и неподвижный соосные захваты для закрепления испытуемого образца, механизм для импульсного силового воздействия на подвижный захват, измерительные приборы, отличающееся тем, что снабжено по крайней мере одним неподвижным захватом для закрепления концов испытуемого образца. 3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что каждый из соосных захватов включает в себя конический элемент и средства для фиксации испытуемого образца на внешнем торце конического элемента и его боковой поверхности, один дополнительный захват выполнен с заостренными зажимными губками, а другой дополнительный захват выполнен с плоскими зажимными губками. 4. Устройство по п.2, отличающееся тем, что каждый из соосных захватов включает в себя конический элемент с осевым отверстием и средства для фиксации испытуемого образца на внешнем торце конического элемента и в его осевом отверстии, один дополнительный захват выполнен с заостренными зажимными губками, а другой дополнительный захват выполнен с плоскими зажимными губками. 5. Устройство по любому из пп.2 - 4, отличающееся тем, что механизм для импульсного силового воздействия на подвижный захват включает в себя стержневой волноводный ударник, приемный пуансон и узел формирования нагружающего импульса с датчиков его контроля, соединенный с элементом подвижного захвата. 6. Устройство по п.5, отличающееся тем, что узел формирования нагружающего импульса включает в себя корпус с отверстием, в котором размещен упругоэластичная направляющая втулка для последовательного расположения в ней приемного пуансона, упругого динамометрического элемента с тензорезистором и инерционного элемента с кронштейном, связанным с элементом подвижного захвата. 7. Устройство по п.6, отличающееся тем, что кронштейн связан с элементом подвижного захвата через эластичный вкладыш. 8. Устройство по п. 6 или 7, отличающееся тем, что приемный пуансон и упругий динамометрический элемент выполнен с сопряженными между собой сферическими поверхностями. 9. Устройство по п. 6 или 7, отличающееся тем, что приемный пуансон и упругий динамометрический элемент сопряжены между собой посредством сферического или цилиндрического вкладыша или комбинации цилиндрического и деформируемого вкладышей.