CC BY
75
УДК 62-762.4, 62-762.8, 678
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭНЕРГИИ АКТИВАЦИИ ЭЛАСТОМЕРОВ
А. А. Ашейчик, В. Л. Полонский
Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого Российская Федерация, 195251, г. Санкт-Петербург, ул. Политехническая, 29
E-mail: [email protected]
Рассмотрены вопросы определения энергии активации эластомеров, используемых для изготовления резиновых уплотнений в узлах ракетной и космической техники. Показано, что энергия активации может быть определена по результатам экспериментальных испытаний образцов из резин на усталостную выносливость при знакопеременном изгибе с вращением.
Ключевые слова: энергия активации, эластомеры, экспериментальные характеристики, усталостная выносливость, термофлуктуационная теория.
EXPERIMENTAL DEFINITION OF ENERGY OF ACTIVATION
OF ELASTOMERS
A. А. Asheichik, V. L. Polonsky
Peter the Great St.-Petersburg Polytechnical University 29, Polytechnicheskaya str., St.-Petersburg, 195251, Russian Federation E-mail: [email protected]
The questions of definition of energy of activation of elastomers, used for manufacturing the rubber seals in assembled component of rocket and space technics are considered in the article. It is shown that energy of activation can be defined by results of experimental tests of samples from rubbers on fatigue endurance at a sign-variable bend with rotation.
Keywords: energy of activation, elastomers, experimental characteristics, fatigue endurance, thermofluctuation theory.
Для прогнозирования долговечности работы подвижных и неподвижных уплотнений в узлах ракетной и космической техники с использований термофлуктуационной теории необходимо знать энергию активации резины, из которой будет сделано данное уплотнение. Как известно [2] энергия активации разрушения твердого тела в отсутствие напряжения меняется от материала к материалу. Однако для каждого материала она является своего рода физической константой, независящей от состояния материала. Достоинством этой концепции является возможность прогнозирования момента разрушения и неразрушающего контроля прочности. Целью работы являлось создание практической методики для определения энергии активации эластомеров на примере резины HNBR марки 1088 [2]. Основой для определения энергии активации эластомеров являлись в данной работе экспериментальные характеристики резин, полученные по ГОСТ 10952-75 «Метод определения характеристик усталостной выносливости при знакопеременном изгибе эластомеров с вращением».
Сущность метода заключается во вращении под определенным углом образца до его разрушения [3]. Внешний вид открытой камеры установки для определения характеристик усталостной выносливости эластомеров при знакопеременном изгибе с вращением [4; 5] представлен на рис. 1. Ис-пытывались стандартные образцы диаметром 8 мм и длиной рабочей части образца 23,5 мм при изгибе с заданной амплитудой деформаций sa и заданными частотой вращения и температурой окружающей среды. Образец из эластомера закрепляется в зажимах, таким образом, что создается угол изгиба a, имитирующий величину угловой несоосности валов. Результаты испытаний резины приведены в табл. 1.
При этих испытаниях путем изменения угол изгиба a задавалась его относительная деформация sa и образец приводился во вращение с частотой 3 000 об/мин. В процессе испытаний записыва-
Актуальные проблемы авиации и космонавтики - 2015. Том 1
лась температура на поверхности образца и число циклов до его полного разрушения. За разрушение образца принимали его разделение на две части на рабочем участке.
Экспериментальные характеристики усталостной выносливости резины 1088
№ опыта Еа N, циклов Г, °С Г, °К
1 0,100 3,5 • 105 172 445
2 0,125 6,0-104 182 455
3 0,150 1,8^04 187 460
- 0,200 3,8^03 191 464
Для определения энергии активации резины использовалось уравнение термофлуктуационной теории, записанное относительно числа циклов N образца из эластомера до его разрушения
N = С• е~аь • ехр(^),
где и0 - энергия активации, кДж/моль; Я - постоянная Больцмана; Т - абсолютная температура, °К; Ь и С - постоянные, характеризующие процесс разрушения.
Данное уравнение записанное для каждого из трех опытов, результаты которых приведены в табл. 1, с использованием номера опыта в качестве индекса экспериментально найденной величины примет вид
¡8 N1 = ¡в с - ь • ¡в б„1 + * •{^уЯТх),
18N2 = ¡8с -Ь • ¡8еа2 + ¡8*%^), 18 N3 = ¡8 С - Ь • ¡8 еаз + ¡8 * ^ ).
Решая систему этих трех уравнений с тремя неизвестными получим: энергия актививации для резины ИКБЯ марки 1088 составляет и0 = 124 кДж/моль; постоянная С = 2,86 • 10-14; постоянная Ь = 4,50. На рис. 2 в виде точек приведены экспериментальные значения числа циклов до разрушения образца N, а в виде сплошной линии приведена зависимость, описывающая этот процесс на основании термофлуктуационной теории.
Рис. 2. Результаты усталостных испытаний резины 1088
Таким образом, в результате проведенных исследований получена практическая методика для экспериментального определения энергии активации эластомеров на примере резины ИКБЯ марки 1088.
Библиографические ссылки
1. Ашейчик А. А., Чулкин С. Г. Экспериментальная механика : учеб. пособие. СПб. : Изд-во СПбГПУ, 2008. 107 с.
2. Ашейчик А. А., Полонский В. Л., Чулкин С. Г. Вычислительная механика. Расчет деталей машин методом конечных элементов : учеб. пособие. СПб. : Изд-во СПбГПУ, 2011. 301 с.
3. Ашейчик А. А., Полонский В. Л. Экспериментальное исследование эластомеров и полимеров для нефтяной промышленности. СПб. : Изд-во Политех. ун-та, 2015. 236 с.
4. Ашейчик А. А. Стенд для исследования динамического модуля и модуля внутреннего трения эластомеров // Фундаментальные исследования и инновации в национальных исследовательских университетах : материалы XIV Всерос. конф. по проблемам науки и высшей школы. СПб. : Изд-во СПбГПУ, 2010. С. 140-141.
5. Ашейчик А. А., Ахметшин Т. Д. Испытание эластомеров при знакопеременном изгибе с вращением // ХЬ Неделя науки СПбГПУ : сб. материалы. СПб. : Изд-во СПбГПУ, 2011. С. 156-157.
© Ашейчик А. А., Полонский В. Л., 2015
