CC BY
26
УДК 691.33
Д. Г. Имайкин, Р. А. Ибрагимов ОПТИМИЗАЦИЯ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ИСПЫТАНИЯ ТЕНТОВЫХ МАТЕРИАЛОВ
НА УСКОРЕННО Е СТАРЕНИЕ
Ключевые слова: тентовые материалы, исследование, факторы, срок службы.
В статье приводится данные расчета по влиянию интенсивности ультрафиолетовой радиации на скорость «старения» тентовых материалов в сочетании с действием других эксплуатационных факторов. Показано, что оптимизацию основных параметров испытания тентовых материалов лучше всего проводить на композиционном плане 2-го порядка Бокса-Хантера.
Keywords: Awning materials, study, factors, life time.
The article presents data on the effect of the calculation of the intensity of the ultraviolet radiation on the MSE-rate "aging" of tent materials in combination with the action of other operational factors. It is shown that the optimization of the main parameters of the test of tent material is best to drive pro-composite plane of order 2 Box-Hunter.
Введение
Ранее [1] было показано, что основными факторами, вызывающими ускоренный износ и выход из строя тентовых строительных материалов, являются многократно повторяющиеся изгибающие и растягивающие усилия в сочетании с ультрафиолетовой радиацией и температурными воздействиями. Воздействие атмосферной влаги не столь существенно при условии целостности защитного покрытия и им можно пренебречь.
В разработанной лабораторной установке [2] могут воспроизводиться все вышеуказанные факторы в диапазонах, обеспечивающих достаточно надежный прогноз срока службы тентовых материалов.
Величина растягивающих усилий в стадии постоянной растягивающей нагрузки и стадии максимальной нагрузки от ветрового воздействия в сочетании с максимальным углом изгиба обеспечиваются величиной преднапряжения, длиной образца и величиной эсцентрика закрепления материала на поворачивающемся зажиме.
Воздействие ультрафиолетового излучения воспроизводится с помощью лампы марки ДКСТВ-6000, спектр излучения которой наиболее близок к солнечному в диапазоне наиболее сильно влияющего на структуру полимерного покрытия тентовых материалов - с длиной волны 290-400 нм. Мощность излучения составляет 6 кВт. Для регулирования количества излучения на испытуемый образец используется устройство изменения расстояния от образца до лампы и измерение интенсивности ультрафиолетовой радиации используется прибор УФИ-53. Так как образцы на "качающемся" зажиме расположены под различными углами и на различных расстояниях от источника излучения, то это дает возможность вывести зависимость уровня изменения прочности от интенсивности и "количества" полученной радиации, причем для каждого уровня интенсивности излучения одновременно проходят испытания два образца, что значительно повышает надежность и достоверность полученных данных.
Система терморегулирования включает в себя систему вентиляции и контроля за температурой на поверхности образцов. Вентиляторы автоматически включаются при достижении заранее установленно-
го уровня температуры. Нагревание поверхности образцов происходит за счет инфракрасного излучения лампы. Ранее проведенные исследования показали, что температура нагрева тентовых материалов на солнце может в отдельных случаях достигать 60° С. Так же, как и с системой УФ-облучения, необходимо учитывать, что образцы, расположенные на одном зажиме, нагреваются неодинаково, в зависимости от расстояния до лампы. Это также позволяет устанавливать зависимость падения прочности материалов от температуры и исследовать совместное воздействие различных факторов.
Для описания зависимости механической прочности материалов от совместного воздействия эксплуатационных факторов необходимо использовать математическое планирование эксперимента, что позволяет до минимума свести количество опытов и получить зависимости с высоким уровнем доверительной вероятности. Наиболее подходящим для этого методом можно признать центральные композиционные планы 2-го порядка Бокса-Хантера [3-6], так как они обладают свойством ротатабельности -практически одинаковым уровнем достоверности по всему "полю" плана эксперимента. Кроме того, для описания "поверхности отклика" они позволяют вывести уравнения 2-й степени, учесть "квадратичные" эффекты воздействующих факторов. Эти планы не требуют повторения каждого опыта, а дисперсию воспроизводимости определяют по данным повторения опытов в "центре плана". Минимальное количество повторений определяется уровнем необходимой доверительной вероятности [7-8].
Зависимость функции отклика от воздействующих факторов выражается в виде многочлена 2-й степени:
У=Во+В1Х1+...+ВпХп+в„Х12+...+ВппХп2+В12Х1Х2+...+
Вп-1,пХп-1Хп, С1)
где У - прочность материала на разрыв после проведенных испытаний, Во - константа, Хп - "доза" воздействия п-го фактора, Вп - коэффициент влияния данного фактора (также для "квадратичных" и "совместных" эффектов).
В соответствии с данным планом эксперимента возможно исследовать влияние 4-х факторов: величины максимальной растягивающей нагрузки (на
пике растяжения), количества циклов нагружения, угла загиба материала и температуры поверхности. Если уровни интенсивности воздействия различных факторов условно разделить на 4 диапазона и принять уровень в "центре" плана эксперимента за "нулевой", то матрица плана эксперимента будет иметь следующий вид, представленный в табл.1. Таблица 1 - 4-х факторный план Бокса-Хантера
Номера опытов по порядку Кодированное значение уровня воздействия факторов
Х1 Х2 Хз Х4
1-6 0 0 0 0
7 +1 +1 +1 +1
8 -1 +1 +1 +1
9 +1 -1 +1 +1
10 -1 -1 +1 +1
11 +1 +1 -1 +1
12 -1 +1 -1 +1
13 +1 -1 -1 +1
14 -1 -1 -1 +1
15 +1 +1 +1 -1
16 -1 +1 +1 -1
17 +1 -1 +1 -1
18 -1 -1 +1 -1
19 +1 +1 -1 -1
20 -1 +1 -1 -1
21 +1 -1 -1 -1
22 -1 -1 -1 -1
23 +2 0 0 0
24 -2 0 0 0
25 0 +2 0 0
26 0 -2 0 0
27 0 0 +2 0
28 0 0 -2 0
29 0 0 0 +2
30 0 0 0 -2
Для прогноза срока службы вновь создаваемых материалов необходимо также определить степень влияния интенсивности ультрафиолетового облучения материалов, так как для различных регионов он может существенно различаться. Для России он колеблется в пределах от 40 до 60 Вт/м2. В предложенной лабораторной установки для одновременного испытания образцов возможно воспроизведение трех уровней интенсивности излучения от 38 до 63 Вт/м2.
Данные значения не позволяют использовать их непосредственно в матрице плана эксперимента в качестве 5-го фактора, однако, если провести достаточное количество опытов на каждом уровне интенсивности облучения, то возможно получить данные с удовлетворительным уровнем надежности.
Для данной установки предлагается следующая упрощенная методика оценки влияния интенсивности ультрафиолетовой радиации в сочетании с вы-
шеперечисленными 4-мя факторами. Присвоим интенсивности излучения кодированное обозначение Х5. За "нулевое" примем 2-й уровень интенсивности -52 Вт/м2. Примем за величину "шага варьирования" разность между первым и вторым уровнем, то есть 52-38=14 Вт/м2, за единичное кодированное значение 1. Разность между 2-м и 3-м уровнем интенсивности составляет 63-52=11 Вт/м2, что меньше первой разности. Величина "шага" при этом будет составлять 11/14=0,786. Таким образом, фактор Х5 осуществляется на трех кодированных уровнях: от -1 до +0,786.
Если на каждом из этих уровней осуществить планы 2-го порядка, то можно построить систему 3-х уравнений, где для Х5=-1 величина отклика будет Уь для Х5=0 - У2, для Х5=0,786 - У3.
Выводы
Если для каждого уравнения регрессии фактор Х5 ввести в качестве аргумента и решить систему уравнений (например, методом Гаусса), то в итоге получим:
В15=(Ъ1з-0,786Ъ11 -0,214bl2)/1,572, где 1,2,3 - номера соответствующих уравнений на определенных уровнях интенсивности облучения, I - номера коэффициентов регрессии уравнений на соответствующих уровнях облучения.
Таким образом, возможно получить данные по влиянию интенсивности ультрафиолетовой радиации на скорость «старения» тентовых материалов в сочетании с действием других эксплуатационных факторов.
Литература
1. Имайкин Д.Г., Ибрагимов Р.А. Исследование факторов, влияющих на срок службы тентовых строительных материалов. Вестник технол. ун-та. 2015. Т 18, №14. С. 120-123.
2. Еремеев П.Г. Тентовые мембраны для ограждающих конструкций покрытий над трибунами стадионов. Промышленное и гражданское строительство. 2015. № 4. С. 33-36.
3. Ишанова В.И., Удлер Е.М. Возможности формообразования тентовых материалов. Известия Казанского гос. архитектурно-строит. ун-та. 2013.№ 4 (26). С. 107-112.
4. Трофимов А.В., Пономарев С.В., Кузнецова Е.С. Исследование пороков тентового материала с применением инструментов качества. Качество. Инновации. Образование. 2006. № 6. С. 26-32.
5. Скопенко В.А. тентовая архитектура: «индустриальные» возможности. Академический вестник УралНИИ-проект РААСН. 2010. № 3. С. 54-59.
6. Сулейманов А.М. Механизмы старения и разрушения материалов мягких оболочек в условиях эксплуатации. Известия Казанского гос. архитектурно-строительного ун-та. 2010. № 2 (14). С. 278-285.
7. Еремин К.И., Матвеюшкин С.А., Арутюнян Г.А. Анализ повреждаемости и обрушаемости блоков покрытий промышленных зданий. Наука и безопасность. 2015. № 1 (14). С. 36-49.
8. Изотов В.С., Ибрагимов Р.А. Новые комплексные добавки на основе эфиров поликарбоксилатов. Строительные материалы. 2012. № 3-4. С. 34.
© Д. Г. Имайкин - канд. техн. наук, доц. каф. технология, организация и механизация строительства КГАСУ, [email protected]; Р. А. Ибрагимов - канд. техн. наук, доц. той же кафедры, [email protected].
© D. G. Imaykin - candidate tehn. sciences, docent, Department of technology, organization and mechanization of construction KGASU, [email protected]; R. A. Ibragimov - candidate tehn. sciences, docent Department of technology, organization and mechanization of construction KGASU, [email protected].
