CC BY
16
УДК 531:639.2
Вестник науки и образования Северо-Запада России
http://vestnik-nauki.ru/ -------
2016, Т. 2, №3
ЛАБОРАТОРНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛАСТИЧНОСТИ ПОЛИАМИДНЫХ НИТЕЙ
И.М. Ахмедов
LABORATORY STUDY OF THE POLYAMIDE FILAMENTS ELASTICITY
I.M. Ahmedov
Аннотация. На лабораторной установке в статических условиях исследовано удлинение новых сухих полиамидных нитей при увеличении нагрузки до 50 % разрывной и последующем ее уменьшении. Остаточное удлинение после первого цикла составило 4,5 %. Необходимо учитывать, что после снятия нагрузки остаточное удлинение уменьшается. Предложена эмпирическая формула зависимости относительного удлинения нити от безразмерноы нагрузки, учитывающая цикл нагружения. Методом наименьших квадратов подобраны параметры степенной эмпирической зависимости. Среднеквадратическое отклонение опытных данных от расчетных кривых не превышает 8 %.
Ключевые слова: полиамидные нити; лабораторные испытания; циклическая нагрузка; относительное удлинение; эмпирическая формула.
Abstract. The elongation of new dry polyamide fibers by increasing the strength to 50 % of the breaking load and subsequent reduction was studied in a laboratory setting under static conditions. The residual elongation after the first cycle was 4.5 %. Be aware that after removal of the load the residual elongation decreases. The empirical formula of the dependence of the filament elongation on the dimensionless load, taking into account the loading cycle was proposed. The parameters of the power law empirical relationships were selected by the method of least squares. The standard deviation of experimental data from the calculated curve does not exceed 8 %.
Keywords: polyamide yarns; laboratory test; cyclic load; elongation; empirical formula.
Введение
Полиамидные нити широко используются в самых разных отраслях промышленности и на транспорте, так как имеют высокую прочность и износостойкость, хорошо противостоят ударным и переменным нагрузкам [1]. Они идут на изготовление сетных полотен, швартовочных канатов и других изделий. При решении многих прикладных задач необходимо учитывать эластичность нитей [2-9]. Было установлено (см., например, [6]), что упругие свойства нитей в значительной степени различаются у новых и поработавших нитей. Последнее время интерес исследователей обратился к растяжению нитей и канатов при циклическом нагружении ([2-5] и др.), что связано, например, с условиях работы в море при волновом воздействии.
На рис. 1 представлен результат экспериментального изучения в [4] циклического нагружения нового полиамидного каната. Максимальная сила натяжения достигала 20% разрушающей нагрузки. Было выполнено 5 циклов загрузки-разгрузки каната. Наблюдается увеличение длины каната при наибольшей (неизменной) нагрузке. Возможно указанное явление связано со статическим эффектом, так как при изменении знака приращения нагрузки на испытательной машине некоторое время ее величина, практически, может оставаться постоянной.
http://vestnik-nauki.ru/
ьц
-50
80 100 с [шт]
Рисунок 1 - Зависимость нагрузка-удлинение при циклическом нагружении нового
полиамидного каната [4]
Авторы [4,5] отмечают несколько особенностей, отличающих циклическое нагружение полиамидных и стальных канатов. Отклик синтетического каната явно нелинейный, причем отклик между первым и вторым циклами существенно отличается. Это соответствует эффекту "приработки", который возникает, когда волокна каната (веревки) загружаются впервые. Этот эффект включает в себя перераспределение молекулярной цепи на уровне нити и зависит от структуры каната.
Другим важным отличием между поведением синтетических канатов и стальных тросов является сильная зависимость реакции на циклические параметры нагрузки. Было показано [5], что жесткость полиамидного каната изменяется, прежде всего, от вида и диапазона нагрузок и в меньшей степени от частоты нагрузки. В связи с этим, прежде чем изучать воздействие динамической циклической нагрузки на синтетические нити и канаты, целесообразно исследовать процессы нагрузки-разгрузки в статических условиях.
Условия проведения опытов
Объектом исследования были избраны широко используемые полиамидные нити, изготовленные [1] по ТУ 15-08-31-89 (табл. 1).
Таблица 1 - Параметры исследованных полиамидных нитей [1]
№ Условный диаметр, мм Структура нитки, текс Масса 100 м Разрывная нагрузка в сухом виде не менее, кгс Разрывная нагрузка в мокром виде, не менее, кгс
1 0,36 29х2 69 2,7 2,4
2 0,45 29х3 104 4,2 3,8
3 0,55 29х4 130 6,0 5,4
4 0,66 29х6 195 8,8 7,9
5 0,80 93,5х3 330 16,6 15,0
На рис. 2 показана лабораторная установка для измерения статического удлинения нитей. Масса грузов т увеличивалась от нуля до 1,5-8 кг (в зависимости от толщины нити), а затем уменьшалась до нуля. Так для нити № 5 наибольшая масса использованных грузов была 8 кг, что составило примерно 50 % от разрывной нагрузки.
http://vestnik-nauki.ru/
ы
ь-1
Начальная длина рабочего участка нитей Ь0 = 100 мм. Абсолютное удлинение нитей АЬ определялось по линейке с миллиметровыми делениями. Измерения производились через 5 минут после замены груза для соблюдения статических условий. Было испытано по 6 образцов нитей каждого номера (условного диаметра) и рассчитаны средние значения абсолютных удлинений.
Погрешность отдельного измерения удлинения нити АЬ составила 0,5 мм; погрешность определения массы грузов т -20 г.
Рисунок 2 - Лабораторная установка для измерения удлинения нити: 1 - рама, 2 -точка подвеса нити, 3 - груз массой т, 4 -линейка с миллиметровыми делениями
Результаты измерений
В табл. 2 представлены осредненные результаты измерения абсолютного удлинения образцов нити 5 при двух циклах возрастания-уменьшения статической нагрузки. При осреднении результатов измерений среднее квадратическое отклонение не превышало 8 %.
Таблица 2 - Осредненные результаты испытания образцов нити № 5
№ т, Р, Абсолютное удлинение нити, АЬ, мм
пп. кг Н Первый цикл Второй цикл
Увеличение веса Уменьшение веса Увеличение веса Уменьшение веса
1 0 0 0 45 45 53
2 0,5 4,9 27 68 70 77
3 1,0 9,8 40 76 81 88
4 1,5 14,7 53 86 88 95
5 2 19,6 63 90 97 102
6 3 29,4 78 102 108 112
7 4 39,2 92 109 120 124
8 5 49,0 108 119 129 133
9 6 58,8 120 130 135 138
10 8 78,4 141 152
Была выдвинута гипотеза, что зависимость относительного удлинения от безразмерной силы имеет вид, подобный предложенному в [7,8]:
е = Б, + А, -0п = А, .(Р/Рт)\ (1)
где в - отношение усилия Р в нити к разрывному усилию Рт; Л^ В¡, П1 - эмпирические параметры для 1-й кривой цикла нагрузки-разгрузки.
На рис. 3 показано сравнение результатов расчета удлинения нити по формуле (1) с экспериментальными данными, на рис. 4 - кривые двух циклов нагрузки-разгрузки. Видно, что результаты расчетов хорошо согласуются с опытными данными. Чтобы не загромождать графики, экспериментальные точки на рис. 4 не показаны. Остаточное удлинение после
http://vestnik-nauki.ru/
первого цикла составило 4,5 %, после второго цикла достигло 5,4 %. В последующих циклах остаточное удлинение увеличивалось все меньше и меньше, как в [4,5]. После снятия нагрузки остаточное удлинение уменьшается.
см
♦
2 ^
> * Г
/ о
>-
О 10 20 30 40 50 60 70 Р, Н
Рисунок 3 - Зависимось абсолютного удлинения новой нити от нагрузки (первый цикл): 1 - увеличение нагрузки, 2 - уменьшение нагрузки. Точки - экспериментальные данные, линии - расчет по формуле (1)
ЛЬ см
14 12
10
8 6 4 2
*
* *
* / у* / /
/
{
0 10 20 30 40 50 60 70 Р, Н Рисунок 4 - Рассчитанное по (1) удлинение новой нити: 1 и 3 - увеличение нагрузки, 2 и 4 - уменьшение нагрузки. Номер кривой, как в табл. 3
В таблице 3 представлены рассчитанные методом наименьших квадратов значения эмпирических параметров зависимости (1). Номера кривых можно увидеть на рис. 4.
http://vestnik-nauki.ru/
Таблица 3 - ^ Значения эмпирических параметров зависимости (1)
№ кривой B A n
1 0 0,217 0,601
2 0.045 0,138 0,512
3 0.045 0,159 0,540
4 0.054 0,143 0,521
Заключение
В статических условиях на лабораторной установке исследовано удлинение полиамидных нитей при увеличении нагрузки до 50 % разрывной и последующем ее уменьшении. Остаточное удлинение после первого цикла составило 4,5 %. Необходимо учитывать, что после снятия нагрузки остаточное удлинение уменьшается.
Предложена эмпирическая формула зависимости относительного удлинения нити от безразмерноы нагрузки, учитывающая цикл нагружения. Методом наименьших квадратов подобраны параметры степенной эмпирической зависимости. Среднеквадратическое отклонение опытных данных от расчетных кривых не превышает 8 %.
Эластичные свойства установлены для новых сухих полиамидных нитей. Тогда как их эксплуатация, нередко, проходит в воде или при повышенной влажности. Для определения эластичных свойств влажных нитей необходимо проведение соответствующих экспериментов.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
1. «Сетка». Производство и продажа сетематериалов [Электронный ресурс]. URL: http://setka-reshetiha.ru/index.php?option=com content&view=article&id=15&Itemid=24 (дата обращения: 01.08.2016).
2. Johanning L., Smith G., Wolfram J. Measurements of static and dynamic mooring line damping and their importance for floating WEC devices // Ocean Engineering, 2007. V. 34. P. 1918-1934.
3. Ridge I.M.L., Banfield S.J., Mackay J. Nylon fibre rope moorings for wave energy converters // Proc. of the Oceans conference, (Seattle, USA, 20-23 September, 2010). [Электронный ресурс]. URL: http://seattle10.oceansconference.org/ (дата обращения: 01.01.2015).
4. Weller S, Davies P, Vickers AW, Johanning L, Synthetic rope responses in the context of load history: operational performance // Ocean Engineering, 2014, V. 83, P. 111-124.
5. Davies P., Weller S.D., Johanning L., Banfield S. A review of synthetic fiber moorings for marine energy applications // 5th Int. Conf. on Ocean Energy (2014, 4-6 November, Canada, Halifax) [Электронный ресурс]. URL: http://archimer.ifremer.fr/doc/00251/36220/34771.pdf (дата обращения 01.08.2016).
6. Великанов Н.Л., Наумов В.А. Гидродинамическое сопротивление систем из стержней и нитей: монография. Калининград: Изд-во ФГОУ ВПО «КГТУ», 2015. 192 с.
7. Наумов В.А., Ахмедов И.М. Упругие свойства синтетических канатов // Наука в современном мире: Сборник статей Международной научно-практической конференции (19 февраля 2015 г.). Стерлитамак: РИЦ АМИ, 2015. С. 180-182.
8. Наумов В. А., Ахмедов И. М. Расчет формы и усилий в канатах с учетом их эластичности / В.А. Наумов, // Известия КГТУ, 2016. № 40. С. 159-166.
9. Наумов В.А., Ахмедов И.М. Равновесие криволинейной нити, закрепленной в двух точках в однородном потоке // Материалы III Балтийского международного морского форума. Калининград: Изд-во БГАРФ, 2015. С. 299-304.
http://vestnik-nauki.ru/
2016, Т 2, №3
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРЕ
Ахмедов Исфендияр Махмуд-оглы ФГБОУ ВО «Калининградский государственный технический университет», г. Калининград, аспирант кафедры водных ресурсов и водопользования E-mail: isfendi@mail.ru
Ahmedov Isfendiar Mahmud-oglu FSEI HE «Kaliningrad State Technical University», Kaliningrad, The post-graduate student of The Water Resources Department E-mail: isfendi@mail.ru
Корреспондентский почтовый адрес и телефон для контактов с автором статьи: 236022, Калининград, Советский пр., 1, КГТУ, ГУК, каб. 322. Ахмедов И.М.
8(4012)99-53-37
