УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ РЕЛАКСАЦИОННЫХ СВОЙСТВ КОЖИ И ПОДОБНЫХ ЕЙ ГИБКИХ МАТЕРИАЛОВ Российский патент 2003 года по МПК G01N3/00 

Изобретение относится к испытательной технике и может быть использовано для определения и контроля релаксационных свойств кожи и подобных ей материалов, например, искусственных кож, полимерных пленочных материалов, ткани и пакетов из этих материалов.

Известны различные устройства для определения деформационных и релаксационных свойств кожи и подобных ей материалов, основанные, например, на нагружении образца с последующим его разрушением на разрывной машине, определяется предел прочности кожи, упругая и остаточная деформация, условный модуль упругости кожи по ГОСТ 939-75, или основанные на силовом воздействии на образец, закрепленный в кольцевом зажиме, с помощью шарообразного жесткого предмета, падающего с определенной высоты (регистрируется амплитуда и частота затухающих колебаний, упругость материала) - Авт.свид. СССР 454450, G 01 N 3/08 3/14, 31.01.75, Способ определения упругих свойств пленочных и текстильных материалов.

Для определения релаксационных, зависящих от времени, характеристик кожи и подобных материалов необходимо устройство, реализующее ступенчатое нагружение по циклу "нагружение-выдержка-разгрузка". Такой способ может быть реализован на приборе-консистометре Гепплера, см. Практикум по технологии кожи и меха, A.A. Головтеева и др.. Легкая и пищевая промышленность, 1982, с.248.

Прибор имеет рычаг с грузом, нагружающим путем сжатия через шток-индентор образец упруго-пластичного материала, причем перемещение индентора во времени регистрируется визуально с помощью индикатора часового типа и секундомера, а нагружение и разгрузка производится вручную. Для медленно релаксирующих материалов прибор позволяет в принципе получить кривую упругого последействия - релаксации деформации после снятия нагрузки и выделить на ней три составляющих деформации - мгновенно-упругую, замедленно-упругую или высокоэластическую, пластическую или остаточную и определить численные Их характеристики.

Однако прибор не пригоден для испытания кож и подобных ей тонких материалов на растяжение, а ручная нагрузка и разгрузка с визуальным отсчетом показаний вообще не позволяют анализировать быстротекущие процессы в диапазоне от 0,01 до нескольких секунд, что характерно для указанных материалов.

Наиболее близким аналогом предлагаемого технического решения является устройство для определения свойств пленочных и текстильных материалов (Авт. свид.СССР 1711027 А1, Устройство для испытания пленочных и текстильных материалов, GO IN³ /08, Б.И 5, 07.02.92 г.) включающий механизм нагружения образца, зажатого по кольцевому контуру, индентором со сферическим концом и регистрацию на самописце его перемещения под нагрузкой - ползучесть. Известное устройство позволяет определить упругость и прочность материала.

Все указанные устройства для определения деформационных свойств кожи и подобных материалов позволяют определять ограниченное число параметров, относящихся в основном к упругим свойствам материала и не дают возможности определять весь комплекс релаксационных свойств - упругих, вязких и пластических характеристик, постоянных времени релаксации, только в совокупности описывающих деформационное поведение материала.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое техническое решение, является более точное, оперативное и автоматизированное определение полного комплекса релаксационных показателей упругих, вязких и пластических свойств и спектра времен релаксации кожи и подобных ей материалов без разрушения образца. Устройство позволяет с высокой точностью, в автоматизированном режиме и без разрушения образца получать комплекс до пятнадцати показателей упругих, вязких и пластических свойств и спектр времен релаксации материала, которые наиболее полно характеризуют его деформационное поведение, отражающее подвижность разнообразных элементов внутренней микро- и макроструктуры.

Получаемые показатели могут быть использованы для оценки качества кож и других подобных материалов путем сравнения их с эталонными, а также для контроля и управления качеством выполнения технологических процессов путем измерения указанных показателей у полуфабриката на промежуточных стадиях производства и сравнения их с нормированными значениями.

Для решения поставленной задачи предлагается устройство, состоящее из двух зажимных колец для фиксации гибкого материала и штока-индентора в виде легкого стержня со сферическим или плоским для испытания образцов на сжатие наконечником, связанным с датчиком перемещения, причем верхнее зажимное кольцо неподвижно, что позволяет фиксировать базовую плоскость для измерений независимо от толщины материала. Индентор движется в вертикальной направляющей втулке и снабжен рычажным механизмом нагружения через подвижную втулку с собачкой, зуб которой входит в вырез индентора. Собачка шарнирно связана с одной стороны с подвижной втулкой, а с другой стороны - с тягой, с помощью которой собачка поворачивается и мгновенно освобождает индентор, а устройство измерения перемещения индентора связано с электронным блоком, преобразующим линейное перемещение в цифровые сигналы, передаваемые на компьютер.

Для автоматизации и повышения четкости разгрузки образца независимо от опытности оператора предлагается вариант устройства механизма нагружения образца, у которого втулка рычага нагружения индентора имеет электромагнит, а индентор - соответствующую ему стальную пластину, через которую передается нагрузка на образец при подъеме рычага и включении магнита. При отключении магнита рычаг с грузом отсоединяется от диска и индентор мгновенно разгружается.

При испытании зажатого по кольцевому контуру плоского образца он получает равные удлинения по меридианам образующегося конуса, поэтому получают усредненные характеристики анизотропного материала.

Для испытания анизотропности свойств материала по направлениям на нижнее зажимное кольцо устанавливают кольцевую насадку с двумя радиально-расположенными выступами, на которые опирается образец для деформации узкой полоски материала по выбранному направлению.

Для испытаний толстых образцов на сжатие нижнее кольцо закрывают плоской опорной пластиной, а на конец индентора надевают соосную с ним круглую насадку с плоской нажимной поверхностью.

Фиг. 1 - конструкция предлагаемого устройства; фиг.2 - вариант конструкции устройства; фиг.3 - схема измерений хода индентора от нулевой плоскости; фиг.4 - графики напряжения и деформации материала, показывающие изменение во времени: а - напряжения, б - относительной деформации; в - деформационная модель упруго-вязко-пластичного материала; фиг.5 - схема кольцевой насадки для испытания анизотропности свойств материала; фиг.6 - схема приспособления для испытания материала на сжатие.

5. Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения.

Предлагаемое устройство для определения релаксационных свойств кожи и подобных ей материалов показано на фиг.1 Оно состоит из корпуса 1, верхнего опорного кольца 2, нижнего зажимного кольца 3 с регулируемым положением относительно втулки-ползуна 4 зажимного механизма 5, приводимого в действие рукояткой, связанной с кривошипом 6. Легкий стержень-индентор 7 может свободно перемещаться в направляющей втулке 8. На верхнем конце индентора закреплен чувствительный элемент 9 датчика перемещения, встроенного в электронный блок 10 для преобразования сигнала в цифровую форму и непосредственной передачи его в компьютер.

Испытываемый образец 11 нагружается индентором и продавливается в углубление нижнего кольца с помощью регулируемых грузов 12, закрепляемых на рычаге 13, связанным шарниром 14 с корпусом прибора и через продольный паз с шарниром 15, закрепленным на скользящей втулке 16. На оси 15 посажена собачка 17 с зубом, входящим через паз в направляющей и скользящей втулках в вырез индентора. Шарниром 18 собачка связана тягой 19 с кнопкой 20, с помощью которой собачка может поворачиваться и освобождать индентор от груза.

Четкость срабатывания описанного ручного механизма разгрузки зависит от опытности оператора. Чтобы исключить влияние человеческого фактора и автоматизировать процесс разгрузки, предлагается, фиг.2, второй вариант механизма разгрузки с электромагнитом 21, закрепленным на скользящей втулке 16. В этом варианте на инденторе закреплен стальной диск 22, через который передается нагрузка на образец при подъеме рычага и включении магнита. При отключении магнита рычаг с грузом отсоединяется от диска и индентор мгновенно разгружается.

Для испытания анизотропности свойств материала по направлениям на нижнее зажимное кольцо 3, фиг.5, устанавливается кольцевая насадка 23 с двумя радиально-расположенными выступами 24, на которые опирается образец для деформации полоски образца материала шириной b по выбранному направлению.

Для испытания толстых материалов на сжатие, фиг.6, нижнее кольцо 3 перекрывается плоской опорной пластиной 25, а на конец индентора 7 крепится соосная с ним круглая насадка 26 с плоской нажимной поверхностью.

Устройство работает следующим образом.

Образец испытываемого материала 11 зажимают между кольцами 2 и 3 прибора, фиг. 1. Компьютерная программа фиксирует начальное положение индентора относительно базовой плоскости верхнего кольца для учета возможного провисания образца. Производят нагружение индентора грузом массой 1-2 кг и выдерживают под нагрузкой в течение около 30 с. Затем резко снимают нагрузку и регистрируют на компьютере показания датчика 9 перемещения индентора 7 после разгрузки (кривую упругого восстановления - релаксации образца, фиг.4) в виде файла данных перемещения индентора во времени h(t) от нулевой плоскости, определяемой калибровкой датчика.

По этим данным компьютерная программа фиксирует, фиг.3: ho - нулевое положение индентора с учетом провисание образца, hm - максимальный ход под нагрузкой, hn - установившееся положение после разгрузки и рассчитывает соответствующие относительные деформации по формуле:
ε=Ah₂,
где А - постоянная прибора.

Таким образом получают относительные деформации: ε_o - фиктивную от провисания; ε_m - полную; ε_n - пластическую; ε_u - упругую суммарную; ε_u = ε_m-ε_n.
Рассчитывают среднее напряжение в образце перед разгрузкой
σ=BP/h_mδ,
где В - постоянная прибора;
Р - нагрузка на инденторе;
h_m - его максимальное перемещение под грузом;
δ - толщина образца материала.

Для последующих вычислений, включающих дифференцирование экспериментальной кривой, она должна быть аппроксимирована с максимальной точностью гладкой функцией. Для этого кривую упругого восстановления представляют в виде суммы экспонент, обычно достаточно двух:

По результатам аппроксимации вычисляют постоянные времени Т1 быстрого и Т2 медленного процессов восстановления упругой деформации и коэффициенты К1 и К2. После чего определяют составляющие упругой деформации: мгновенную упругую ε_mu =K1•ε_u, высокоэластическую ε_ve = K2•ε_u, рассчитывают параметры релаксационной модели, фиг. 4, в: модуль мгновенной упругости, E1 = σ.ε_mu, модуль высокоэластичности E2 = σ/ε_ve, равновесный модуль упругости E3 = σ/ε_u, коэффициенты высокоэластической вязкости ηl =Tl•El быстрого и η2 = Т2•Е2 медленного процессов релаксации, коэффициент пластической вязкости η3 = Δt•σ/ε_n, где Δt - время нагружения.

Затем получают спектр постоянных времен релаксации по формуле:


где i - дискретная переменная; t - текущее время.

Могут быть получены и дополнительные характеристики материала - пластичность П, упругость - У, компоненты упругости - МУ и ВЭ, характер подвижности структуры - Х по формулам:





При исследовании, например, деформационных свойств кожи подкладочной для обуви получены следующие результаты и спектр времен релаксации в логарифмических координатах:
Т1 = 0,073; Т2 = 5,769; К1 = 0,894; К2 = 0,106; Е1 = 13,132; Е2 = 110,516; Е3 = 11,737; η1 = 0,952; η2 = 637,545; η3 = 871,131; П = 28,786; У = 71,214; МУ = 63,651; ВЭ=7,563; X = 8,416
Размерности: Т-(с), Е - (МПа), η(МПа.с),
П, У, МУ, ВЭ - (%)
Любое отклонение от нормированного технологического процесса приводит к изменению указанных показателей, таким образом они могут быть использованы для контроля качества отдельных операций и готовой кожи.

Изобретение относится к испытательной технике и может быть использовано для определения и контроля релаксационных свойств кожи и подобных ей гибких материалов. Предложенное устройство состоит из зажимных колец для фиксации исследуемого материала, штока-индентора с устройствами для нагружения и измерения перемещений индентора, при этом верхнее зажимное кольцо неподвижно, а индентор снабжен рычажным механизмом нагружения через подвижную втулку с собачкой, зуб которой входит в вырез индентора, собачка шарнирно связана с одной стороны с втулкой, а с другой стороны - с тягой, с помощью которой собачка поворачивается и мгновенно освобождает индентор, а устройство измерения перемещения индентора связано с электронным блоком, преобразующим линейное перемещение в цифровые сигналы, передаваемые на компьютер. Нижнее зажимное кольцо может иметь насадку с двумя радиально расположенными выступами, на которые опирается образец для деформации узкой полоски исследуемого материала по выбранному направлению. Кроме того, нижнее зажимное кольцо может быть закрыто плоской опорной пластиной, а конец индентора может иметь соосную с ним круглую насадку с плоской нажимной поверхностью. Данное устройство позволяет с высокой точностью определять полный комплекс релаксационных показателей упругих, вязких и пластических свойств исследуемых материалов без их разрушения. 2 з.п.ф-лы, 6 ил.

1. Устройство для определения релаксационных свойств кожи и подобных ей гибких материалов, состоящее из зажимных колец для фиксации исследуемого материала, штока - индентора с устройствами для нагружения и измерения перемещений индентора, отличающееся тем, что верхнее зажимное кольцо неподвижно, а индентор снабжен рычажным механизмом нагружения через подвижную втулку с собачкой, зуб которой входит в вырез индентора, собачка шарнирно связана с одной стороны с втулкой, а с другой стороны - с тягой, с помощью которой собачка поворачивается и мгновенно освобождает индентор, а устройство измерения перемещения индентора связано с электронным блоком, преобразующим линейное перемещение в цифровые сигналы, передаваемые на компьютер. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что нижнее зажимное кольцо имеет насадку с двумя радиально расположенными выступами, на которые опирается образец для деформации узкой полоски исследуемого материала по выбранному направлению. 3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что нижнее зажимное кольцо закрыто плоской опорной пластиной, а конец индентора имеет соосную с ним круглую насадку с плоской нажимной поверхностью.