CC BY
59
УДК 542.07
стр. 24 из 233 DOI: 10.12737/4849
АНАЛИЗ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ СВОЙСТВ АРМИРОВАННЫХ КОМПОЗИТНЫХ
МАТЕРИАЛОВ В БЫТОВОЙ ТЕХНИКЕ
Белокуров Владислав Николаевич, доктор технических наук, профессор кафедры сервис,
belokurov1943@mail.ru.
Жаворонков Александр Иванович, профессор, доктор технических наук, профессор
кафедры сервис, zhavoral@mail.ru,
Лукина Лилия Анатольевна, кандидат технических наук, доцент кафедры математики, lily-
lu@mail.ru,
ФГБОУ ВПО «Российский государственный университет туризма и сервиса», Москва,
Российская Федерация
Приведены эффективные методы изучения механических свойств материалов, широко используемы в бытовой технике и легкой промышленности. Показаны недостатки существующих способов оценки деформационных показателей композиционных материалов в статическом и квазистатическом режимах показал существенные недостатки и ограниченность этих методов оценки и диагностики свойств полимерных конструкций. Установлены характеристики типовых пластичных материалов и их деформационные показатели. Анализ существующих методов оценки деформационных показателей композиционных материалов в статическом и квазистатическом режимах показал существенные недостатки и ограниченность этих методов оценки и диагностики эксплуатационных свойств полимерных конструкций. Элементы конструкций, изготовленные из угле- и стекловолокнистых композитов, представляют собой по динамическим характеристикам классические вязкоупругие системы. Поэтому деформационные свойства таких материалов и получаемых из них конструкций необходимо рассматривать в динамическом режиме с учетом упругой и вязкой составляющих. Эти характеристики влияют на величину амплитуды деформации и сказываются в частотных спектрах вибраций. Реализация разработанных способов неразрушающего контроля делает возможным автоматизирование производственных процессов изготовления полимерных материалов для бытового обслуживания и легкой промышленности.
Ключевые слова: анализ, деформации, композитные материалы, неразрушающий контроль, резонансный метод
Благодаря высоким эксплуатационным показателям, композитные материалы, армированные углеродными волокнами, находят широкое применение в производстве
стр. 25 из 233
корпусных деталей. Особенно часто такие полимеры используются для изготовления бытовой техники, потому что наряду с достаточно высокими собственно эксплуатационными свойствами (прочность, износостойкость, виброустойчивость, коррозионная стойкость и т.п.) они обладают рядом свойств, необходимых для предметов быта. Это малый вес, возможность получения сложных форм, предполагающих реализацию любых дизайнерских решений, простота достижения цветовых фантазий авторов техники и т.д. Использование композитов в силовых конструкциях, особенно в корпусных деталях, позволяет обеспечить их высокую жесткость, износостойкость и усталостную прочность, значительно уменьшить общую массу изделий при сохранении заданных прочностных характеристик [1].
Но серьезным недостатком композитных материалов является анизотропия механических свойств по разным топографическим участкам, особенно подвергнутым в процессе изготовления предварительному деформированию и частично меняющимся от образца к образцу в силу некоторых различий в структуре и форме армирующего скелета. Этот недостаток на практике компенсируют увеличением коэффициента запаса прочности за счет увеличения эффективного сечения, а, следовательно, массы изделия, что в значительной степени снижает преимущества композитов по оценке удельной прочности [3].
Для устранения такого недостатка возникает необходимость сквозного технологического контроля степени неоднородности механических свойств материала преформ методами неразрушающего контроля. Кроме возможности сохранения самого изделия, что предполагает известные экономические преимущества, такой контроль может проводиться в активной форме, позволяющей производить необходимые коррективы в самом технологическом процессе получения этих изделий, а также учитывается при оценке эксплуатационных показателей [5, с. 12-13].
Анализ существующих методов оценки деформационных показателей композиционных материалов в статическом и квазистатическом режимах показал существенные недостатки и ограниченность этих методов оценки и диагностики экслуатационных свойств полимерных конструкций. Элементы конструкций, изготовленные из угле- и стекловолокнистых композитов представляют собой по динамическим характеристикам классические вязкоупругие системы. Поэтому деформационные свойства таких материалов и получаемых из них конструкций необходимо рассматривать в динамическом режиме с учетом упругой и вязкой составляющих. Эти характеристики влияют на величину амплитуды деформации и сказываются в частотных спектрах вибраций [4].
стр. 26 из 233
Актуальной задачей в плане повышения эксплуатационных свойств бытовой техники является разработка и внедрение универсального неразрушающего метода определения деформационных свойств материалов и элементов конструкций, на основе использования научно обоснованных критериев оценки упругой и вязкой составляющих. При ее решении одним из авторов разработан неразрушающий резонансный метод определения деформационных показателей полимерных материалов [1]. Здесь диагностика осуществляется при инициировании гармонически изменяющихся силовых воздействиях на исследуемый материал в определенном диапазоне частот с малыми амплитудами напряжений. Это не вызывает изменений внутренней структуры исследуемого материала и позволяет регистрировать получаемые значения величины деформации ответного отклика образца. Далее производится расчет деформационных показателей материала по параметрам амплитудно-частотной характеристики [2; 9].
Представленный метод неразрушающего контроля открывает возможность развить научное направление по системному изучению механических свойств полимерных материалов при деформации сжатия, растяжения, изгиба и кручения. Метод может быть реализован для контроля изменения деформационных свойств элементов конструкций в зависимости от условий эксплуатации при нарастании усталости и перед разрушением материала [8]. Он предусматривает получение целого спектра деформационных показателей с высокой точностью и достоверностью, в частности по следующим характеристикам.
1. Добротность материала Q (отношение потенциальной энергии колебаний к текущей потере, расходуемой на вязкое трение за одни период колебаний образца). Это отношение величины максимальной амплитуды деформации, определяемой в резонансном режиме, к величине квазистатической деформации образца под воздействием постоянной по величине силы. Добротность материала легко определить из амплитудно-частотной характеристики. Определив численное значение добротности и величину деформации в соответствии с законом Гука в квазистатическом режиме деформации, становится возможным рассчитать величину деформации в динамическом режиме при различных значениях частот или скоростей силового воздействия.
2. Сопротивление Z со стороны исследуемого материала силовому воздействию внешней деформирующей силе в зависимости от частоты и/или скорости силового воздействия.
3. Тангенс угла механических потерь tg5 (угол отставания (запаздывания) деформации от действующего силового воздействия, что вызвано вязким трением). Он определяет демпфирующие свойства материала [6].
стр. 27 из 233
4. Время релаксации напряжения т .
5. Коэффициент затухания Р.
6. Коэффициент жесткости К.
7. Коэффициент вязкого трения В.
8. Модуль упругости Е*.
9. Модуль гистерезисных потерь Е**.
Для демонстрации возможностей резонансного метода проведено исследование деформационных свойств двух образцов углеволокнистого композиционного листового материала в динамическом резонансном режиме на изгиб. Результаты испытаний типичных образцов для корпусных деталей бытовой техники представлены в таблице 1.
Таблица 1
Деформационные показатели образцов для корпусных деталей бытовой техники
Q tgS Р с' Х, ст г, с н К, м кг в, с Е,мпа Е, мпа
1 68,75 0,0146 1,758 0,0166 0,569 332,6 0,020 0,326,4 2,244
2 66,61 0,0150 1,758 0,0049 0,569 312,2 0,046 0,316,2 2,106
Характерными свойствами обладают натуральные материалы для различных деталей обуви и других изделий легкой промышленности и бытового обслуживания (табл. 2).
Таблица 2
Деформационные показатели образцов материалов обуви на изгиб
00 рад/с Q Pc' т с К н/м ^ кг/с
1 128,1 11,0 5,82 0,17 27,4 1,97
2 56,5 7,0 4,03 0,25 4,66 1,18
3 73,5 11,1 3,32 0,30 10,5 1,29
4 84,8 7,7 5,50 0,18 9,30 1,42
5 104,3 12,8 4,10 0,24 5,10 0,39
стр. 28 из 233
6 121,2 11,8 5,17 0,19 7,20 0,51
7 96.1 13,3 3,63 0,28 8,40 0,66
8 90.4 28,8 1,58 0,63 7,00 0,27
Искусственные материалы имеют несколько иные показатели (табл. 3).
Таблица 3
Деформационные показатели вспененных материалов предназначенных для изготовления ортопедических стелек
О о 3 Q /V1 т с к ^ кг/с ст мм. tg 5 £"Па £'Па
1 61,6 2,58 11,9 0,< 2 0,0089 2,56 0,39 0,55 1,49
2 314,2 4 3 0,< 42 0,0< 0,37 0 1,22 5,56
3 144,5 1 0, 8 0,0< 0,16 0,< 0,0: 0,30
4 232,5 3 3 0,< 45 0,0: 0,74 0; 7,73 25,98
Если провести сопоставление полученных результатов испытаний, то можно видеть: коэффициент упругости К и коэффициент вязкого трения В, представленные в таблице 1, хорошо согласуются с соответствующими показателями, полученными другими известными способами, рекомендуемых стандартами и техническими условиями. При этом они не обладают в достаточной степени рядом вышеперечисленных достоинств. Требования к повышению качества выпускаемой продукции определяют необходимость введения промежуточного контроля и выдвигают задачу увеличения объема операций измерения деформационных показателей после проведения каждого цикла технологической обработки. Объем лабораторных испытаний может быть сокращен при использовании методик, приводимых в работе [9]. Реализуя разработанные способы и средства неразрушающего контроля, становится возможным полностью автоматизировать многие производственные процессы изготовления полимерных материалов, определения их деформационных показателей, повысить производительность и качество выпускаемой продукции. Направления такого развития [6] по различным отраслям легкой промышленности и бытового обслуживания имеют значительные перспективы в экономике страны.
Литература
стр. 29 из 233
1. Белокуров В.Н. Описание резонансного метода определения деформационных характеристик текстильных материалов // Известия вузов. Технология текстильной промышленности. 2007. № 3.
2. Белокуров В.Н. Патент на изобретение № 2300751 // Способ определения деформационных показателей полимерных материалов. Опубликован 10.06.2007. Бюл. 16.
3. Губанов Н.Н., Иванов В.А., Крымская Е. Я., Есипов В.Е. Влияние внешних факторов на долговечность инженерных подземных коммуникаций // Сервис в России и за рубежом. 2013. № 1 (39). С. 59—69.
4. Иванов В.А., Шагунов Д.В., Байкин С.Д. Модернизация оборудования сервиса как способ расширения его технологических возможностей // Электротехнические и информационные комплексы и системы. Т. 8. 2012. № 2.
5. Иванов В. А., Сазоненко В.Ю. Способ определения динамических свойств кожи при механических испытаниях // Разработка новых технологических процессов и материалов для текстильной и легкой промышленности. М.: МТИ, 1989.
6. Рашкин В.В., Иванов В.А. Тенденции и перспективы развития оборудования кожевенных производств // Электротехнические и информационные комплексы и системы. Т.
8. 2012. № 1. С. 40—46.
7. Тимошенко М.В., Гараз Т.В., Пономарева Ю.Н. Числовые характеристики распределения при обработке результатов эксперимента // Электротехнические и информационные комплексы и системы. Т. 6. 2010. № 2. С. 42-46.
8. Lebedev V., Torok Gy., Cser L., Treimer W., Orlova D., Sibilev A. Polymer hydration and microphase decomposition in poly (N-vinylcaprolactam)-water complex. Appl. Cryst. 2003. V.36, P.967-969.278. Bargotti, G.V. Superresolution of Uncorrelated Interference Sources by Using Adaptive Array Techniques / G. V. Bargotti, L J. Kaplan II IEEE Trans. Antenna and Propag. 1979. V. 27. №. 6. P. 842-845.
9. Plakhty V.P., Kulda J., Visser D., Moskvin E.V., Wosnitza J. Chiral critical exponents of the triangular-lattice antiferromagnet CsMnBr3 as determined by polarized neutron scattering. Phys. Rev. Lett. 2000. V.85, N18. P. 3942-3945.
стр. 30 из 233
ANALYSIS OF OPERATIONAL PROPERTIES OF REINFORCED COMPOSITE
MATERIALS IN HOME APPLIANCES
Belokurov Vladislav Nikolaevich, Doctor of Engineering, Professor at the Department of Service, belokurov1943@mail.ru.
Zhavoronkov Alexandr Ivanovich, Professor, Doctor of Engineering, Professor of the Department of Services , zhavoral@mail.ru,
Lukina Liliya Anatol’evna, Candidate of Engineering, Associate Professor at the Department of Mathematics , lily-lu@mail.ru,
Russian State University of Tourism and Service, Moscow, Russian Federation
The article describes effective methods for studying the mechanical properties of materials widely employed in household appliances and the light industry. The authors identify the shortcomings of existing methods used to assess the deformation indicators of composite materials under static and quasi-static mode max, and show significant deficiencies and limitations of these methods of assessment and polymeric structures property diagnostics. The authors also single out typical characteristics of plastic materials and their deformation performance.
Keywords: analysis , deformation , composite materials , non-destructive testing , the resonance method
References
1. Ivanov, V.A., Shagunov, D.V., and Baikin, S.D. Opisanie rezonansnogo metoda opredeleniia deformatsioonykh kharakteristik tekstil’nykh materialov [Modernization of the equipment service as a way to expand its technological capabilities]. Izvestiia vuzov. Tekhnologiia tekstil’noi promyshlennosti, Issue 2 , v. 8, 2012. pp.2—8.
2 . Gubanov, N.N., Ivanov, V.A., Krymskaia, E. Ya., and Esipov, V.E. Vliaianie vneshnikh faktorov na dolgovechnost’ inzhenernykh podzemnykh kommunikatsii [The influence of external factors on the durability of engineering underground communications]. Servis v Rossii i zarubezho [Service in Russia and abroad]. 1 (39), 2013. Pp. 59—69.
3. Ivanov, V.A., and Sazonenko, V.Y. Sposob opredeleniia dinamicheskikh svoistv kozhi pri mekhanicheskikh ispytaniiakh [A method for determining the dynamic properties of the skin with mechanical testing]. Razrabotka novykh tekhnologicheskikh protsessov i materialov dlia tekstil’noi i legkoi promyshlennosti [Development of new processes and materials for textile and light industry. MIT], Moscow, 1989. pp.12—13.
стр. 31 из 233
4. Belokurov, V.N. Opisanie rezonansnogo metoda opredeleniia deformatsionnykh kharakteristik tekstil’nykh materialov [A description of the method for determining the resonance of deformation characteristics of textile materials]. Proceedings of the universities . Technology of Textile Industry.
№ 3,2007 .
5. Belokurov, V.N. Patent № 2300751. Sposob opredeleniia deformatsionnykh pokazatelei polimernykh materialov [A method for determining the deformation parameters of polymeric materials]. Published 10.06.2007g . , Bull . 16.
6. Plakhty, V.P., Kulda, J., Visser, D., Moskvin, E.V., and Wosnitza, J. Chiral critical exponents of the triangular-lattice antiferromagnet CsMnBr3 as determined by polarized neutron scattering. Phys.
Rev. Lett. 2000 . V.85, N18. P. 3942—3945.
7. Lebedev V., Torok Gy., Cser L., Treimer W., Orlova D., Sibilev A. Polymer hydration and microphase decomposition in poly (N-vinylcaprolactam)-water com-plex. Appl. Cryst. 2003 . V. 36,
P. 967-969.278. Bargotti, G.V. Superresolution of Un-correlated Interference Sources by Using Adaptive Array Techniques / GV Bargotti, L J. Kaplan II IEEE Trans. Antenna and Propag. 1979 . V.
27. №. 6. P. 842845 .
8. Tymoshenko, M.V., Garaz, T.V., and Ponomareva, Yu.N. Chislovye kharakteristiki raspredeleniia pri obrabotke rezul’tatov eksperimenta [Numerical characteristics of the distribution of the processing of the experimental results]. Elektrotekhnicheskie i informatsionnye kompleksy i sistemy [Electrical and information systems and systems]. 2010 . V.6 , № 2 . Pp. 42-46 .
9. Rashkin, V.V., and Ivanov, V.A. Tendentsii i perspektivy razvitiia oborudovaniia kozhevennykh proiz [Trends and prospects of development of equipment manufacturing leather]. Elektrotekhniche informatsionnye kompleksy i sistemy [Electrical and information systems and systems], 1 , v.8.2012 . pp 46.
