CC BY
93.
наружено, что в процессе сушки гранул при температуре свыше 110°С и длительном времени происходит их разрушение, а также наблюдаются процессы гидролиза тетрафторида урана и окисления урана воздухом с образованием и02 и и02Б2пН20 соответственно. Определены размеры, насыпная плотность и статическая прочность гранул тетрафторида урана, полученных при оптимальных условиях. Также показан выход гранул целевой фракции.
Стоит отметить, что найденные в работе оптимальные параметры получения гранулированного тетрафторида урана применимы лишь для данного аппарата. Размеры гранулятора, а также режимы его работы являются динамическими ха- 5 рактеристиками процесса окатывания, поэтому в случае перехода на промышленный вариант необходимо экспериментальное определение парамет- 6 ров процесса для конкретной установки. Однако общие закономерности процесса гранулирования тетрафторида урана будут соблюдаться.
ЛИТЕРАТУРА
1. Классен П.В., Гришаев И.Г. Основы техники гранулирования. М.: Химия. 1982. 272 с;
Klassen P.V., Grishaev J.G. Bases of granulation techniques. M.: Khimiya. 1982. 272 p. (in Russian). Липин А.Г., Одинцов А.В. // Изв. вузов. Химия и хим. технология. 2010. Т. 53. Вып. 5. С. 120-122; Lipin A.G., Odintsov A.V. // Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol. 2010. V. 53. N 5. P. 120-122 (in Russian).
Вилесов Н.Г., Скрипко В.Я., Ломазов В.Л., Танченко
И.М. Процессы гранулирования в промышленности. К: Техника. 1976. 192 с;
Vilesov N.G., Skripko V.Ya., Lomazov V.L., Tanchen-ko I.M. Granulation processes in industry. K.: Tekhnika. 1976. 192 p. (in Russian).
ГОСТ 21560.2-82. Метод определения статической прочности гранул;
GOST 21560.2-82. Method of determining static strength of granules (in Russian).
ГОСТ 28512.2-90. Метод определения насыпной плотности неуплотненной массы;
GOST 28512.2-90. Method of determining bulk density of unconsolidated mass (in Russian).
Гагаринский Ю.В., Хрипин Л.А. Тетрафторид урана. М.: Атомиздат. 1966. 232 с.;
Gagarinskiy Yu.V., Khripin L.A. Uranium tetrafluoride. M.: Atomizdat. 1966. 232 p. (in Russian). Пахолков В.С., Сунцов А.С., Рычков В.Н. // Радиохимия. 1977. Т. 19. Вып. 6. С. 791-792; Pakholkov V.S., Suntsov A.S., Rychkov V.N. // Radiokhi-miya.1977. V. 19. N 6. P. 791-792 (in Russian).
Кафедра редких металлов и наноматериалов
УДК 678.017
Д.В. Куделин, Т.Н. Несиоловская, А.Б. Ветошкин
ОЦЕНКА ПРОЧНОСТНЫХ СВОЙСТВ ТОНКОСТЕННЫХ РЕЗИНОВЫХ ИЗДЕЛИЙ В УСЛОВИЯХ СЛОЖНОДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ
(Ярославский государственный технический университет) e-mail: kvmbaikal@yandex.ru, nesiolovskayatn@ystu.ru, vetoshkinab@ystu.ru
Разработаны и апробированы методики оценки прочностных свойств резин в условиях сложнодеформированного состояния, позволяющие на одном типе образца определять деформационные и предельные характеристики материала. Проведена статистическая обработка результатов, подтверждающая корректность предлагаемых методик, что позволяет использовать их как экспресс-метод прогнозирования поведения мембран в процессе эксплуатации.
Ключевые слова: сложнодеформированное состояние, прочность, сопротивление раздиру, резиновая диафрагма, сферический индентор
Тонкостенные резиновые изделия (например, мембраны) эксплуатируются в сложных условиях нагружения, характеризующихся неравномерным распределением напряжений и деформаций по поверхности образца. Однако прогноз их поведения в процессе эксплуатации в подавляющем большинстве основывается на деформацион-
но-прочностных характеристиках материалов, полученных в условиях простого одноосного растяжения, которое не воспроизводит реальных условий нагружения. Существующие попытки воспроизведения сложнодеформированного состояния мембран путем достаточно простых испытаний положительных результатов не принесли. Так, при
растяжении в нескольких направлениях круглой пластины [1, 2] значительное влияние на результаты испытаний оказывают различия в условиях нагружения зажимных участков образца и участков, расположенных между зажимами. При сжатии резиновой шайбы между двумя плитами [3] на конечный результат значимо влияют как сила трения между образцом и сжимающими плитами, так и геометрические характеристики образца. Технически более сложный подход - путем нагружения мембраны внутренним давлением [2] оказался применим, в основном, для достаточно жестких резин, разрушение которых будет происходить при стреле прогиба диафрагмы в пределах его рабочего радиуса, так как в противном случае на результаты испытаний значительно влияют краевые эффекты в зажимной части образца. Разброс показателей в ряде случаев достигает 100 %.
Таким образом, для решения практической задачи прогнозирования поведения мембран в процессе эксплуатации следовало искать компромисс, заключающийся в разработке достаточно простой методики оценки прочностных свойств мембран, которая, с одной стороны, позволяет реализовать напряженно-деформированное состояние, близкое к реальным условиям их нагру-жения, а с другой стороны, обеспечивает воспроизводимость результатов. В качестве предпосылок были выдвинуты следующие:
- условия нагружения образца должны отражать реальные условия нагружения изделия;
- на одном типе образца можно определить деформационные и предельные характеристики материала;
- испытания можно проводить на существующем стандартном оборудовании с применением недорогих адаптированных приставок;
- условия испытания должны обеспечить высокую точность и достоверность результатов.
Анализ работы мембран показал, что реальные деформации в них, развивающиеся в процессе растяжения, не достигают разрушающих значений и имеют сложный характер, изменяющийся от центра к периферии образца. Во многих случаях на поверхности мембран наносят перфорации для уменьшения нагрузки от воздействия среды. Принимая во внимание выявленные факты, были разработаны две методики испытания резин в условиях сложнодеформированного состояния, заключающиеся в определении деформационно-прочностных свойств при растяжении и в определении сопротивления раздиру.
Сложнодеформированное состояние работающей мембраны было предложено моделировать за счет продавливания резиновых диафрагм
сферическим индентором. Образцы для испытания в обеих методиках представляли круглые диафрагмы толщиной 1 или 2 мм с диаметром рабочей поверхности 65 мм, изготовленные из резины на основе каучука СКИ-3. Для того, чтобы минимизировать влияние силы трения между инден-тором и образцом на поверхность диафрагмы, непосредственно перед проведением испытания наносилось небольшое количество силиконовой смазки. Количество образцов в каждом эксперименте составляло 20 штук.
Аппаратурно методики были оформлены в виде реверсивной приставки к разрывной машине FP-100/1 (рис. 1).
а б
Рис. 1. Процесс деформирования диафрагмы: а - внешний вид устройства: 1 - приставка, смонтированная на разрывной машине; 2 - диафрагма в процессе деформирования; б - схема нагружения диафрагмы: 1 - индентор; 2 - диафрагма Fig. 1. Process of diaphragm deformation: a - appearance of the device: 1 - attachment fitted on tensile-testing machine; 2 - diaphragm during the deformation process, b - loading scheme of diaphragm: 1 - indentor; 2 - diaphragm
Испытания проводились при скорости движения нижнего зажима 250 мм/мин. В процессе испытания образцов с помощью компьютера, связанного с силоизмерителем, фиксировалась зависимость «нагрузка - перемещение индентора».
РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ОЦЕНКИ ДЕФОРМАЦИОННО-ПРОЧНОСТНЫХ СВОЙСТВ РЕЗИНОВЫХ ДИАФРАГМ ПРИ РАСТЯЖЕНИИ
Основная задача заключалась в обоснованном выборе диаметра индентора. С одной стороны, его размер не должен приводить к катастрофическому разрушению образца (например, в виде прорыва [4]), т.е. он должен быть сопоставим с диаметром образца, с другой стороны, необхо-
димо учитывать краевые эффекты, искажающие результаты испытаний. Исходя из этих предположений, в работе были использованы инденторы с диаметром, составляющим от 1/3 до 2/3 от диаметра диафрагмы. Действительно, при использовании инденторов указанных размеров (в исследуемом случае от 23 мм, т.е. практически 1/3 от диаметра диафрагмы, до 50 мм, т.е. практически 2/3 от диаметра диафрагмы) катастрофического разрушения образцов не происходило.
На рис. 2 представлены кривые напряжение - деформация резин (толщина образца 2 мм) в зависимости от диаметра индентора, автоматически пересчитанные из кривых нагрузка - перемещение индентора по формулам (1-4).
Л, МПа 3 3 2 2 1 1 0
0 250 500 750 1000
Рис. 2. Влияние диаметра индентора на деформационно-прочностные свойства резин. Диаметр индентора: 1 - 23 мм;
2 - 27 мм; 3 - 35 мм; 4 - 50 мм Fig. 2. The influence of indentor diameter on characteristics of rubbers. Diameter of the indentor is: 1 - 23 mm; 2 - 27 mm; 3 - 35 mm; 4 - 50 mm
Условное напряжение при заданном удлинении определялось как:
/а=-^-> i1)
KdUHdb
где Pi - нагрузка в текущий момент времени, Н; dUHd - диаметр индентора, м; b - толщина диафрагмы, м.
Условное разрушающее напряжение определялось как:
fdp ~
P
(2)
где Рр - разрушающая нагрузка, Н.
Относительное удлинение при разрыве £р, % определялось по изменению площади рабочей поверхности диафрагмы по формуле (3):
sp-s0 sn
100,
(3)
где З'о - начальная площадь рабочей части диафрагмы, мм2; Sр - площадь рабочей поверхности диафрагмы в момент разрыва, мм2.
Относительное удлинение в текущий момент времени £6, % определялось по изменению
площади рабочей поверхности диафрагмы в текущий момент времени по формуле (4):
_
Sn
•100,
(4)
где Si - площадь рабочей поверхности диафрагмы в i-й момент времени, мм2.
Расчет площади диафрагмы при определенном перемещении индентора проводился по упрощенным моделям, представляющим собой оболочку, состоящую из части сферы (индентор, обтянутый материалом) и усеченного конуса, диаметр большего основания которого равен диаметру рабочей поверхности нерастянутой диафрагмы.
Из представленных зависимостей видно, что применение индентора с диаметром, близким к радиусу мембраны, обеспечивает наиболее высокий уровень деформационно-прочностных характеристик резин. Статистическая обработка результатов выявила, что и разброс показателей значительно меньше именно для данных диаметров индентора (табл. 1).
Таблица 1
Результаты статистической обработки влияния диаметра индентора на предельные характеристики резин Table 1. Results of statistical treatment of influence of
Показатель Диаметр индентора, мм
23 27 35 50
Нагрузка при разрыве Рр, H
Среднее 188 460 352 337
Ст. откл. 10,1 9,0 11,2 25,8
Относительное удлинение esp, %
Среднее 650 730 650 1020
Ст. откл. 30,7 15,6 16,3 53,8
Зависимость де формационно -прочностных свойств от толщины образца (рис. 3) показала аналогичность характера кривых при несколько большем уровне прочностных свойств диафрагм толщиной 1 мм. По-видимому, так называемый «масштабный фактор», характеризующий зависимость прочности материала от объема образца при одноосном растяжении, справедлив и для испытаний в условиях сложнодеформированного состояния.
Статистическая обработка результатов показала, что, хотя разброс показателей несколько выше у образцов толщиной 1 мм (стандартное отклонение равно 21 по сравнению с 9 для образцов толщиной 2 мм), они лежат в пределах доверительного интервала. Это позволяет считать данные условия корректными для проведения эксперимента. Выбор толщины образца следует осуществлять, руководствуясь теми же принципами, что и в случае стандартных испытаний [2].
Л
Ь
f, МПа 4,0
3,0
2,0
1,0
0,0
250 500 750 1000
Рис. 3. Влияние толщины образца на деформационно-прочностные свойства резин. Толщина образца: 1 - 1 мм; 2 - 2 мм
Fig. 3. The influence of sample thickness on strain-strength properties of rubbers. Thickness of the sample is: 1 - 1 мм; 2 - 2 мм
Расчет минимального количества образцов (Nmi„), необходимых для получения статистически достоверных результатов [5], показал, что при доверительной вероятности 0,99, их должно быть не менее 15:
JNL-. =
v2 2
t а
(5)
верительного интервала, что позволяет считать эти условия корректными для предлагаемой методики.
Таблица 2
Результаты статистической обработки влияния величины надреза на сопротивление раздиру резин Table 2. Results of statistical treatment of cut value
Показатель Размер дефекта, мм
0,5 2 4 6 10 15
Сопротивление раздиру, Н/мм
Среднее 61,1 45,6 41,3 31,0 22,7 20,5
Ст.откл 3,2 1,6 1,6 2,0 7,8 7,5
Дов.инт 3,7 1,8 1,8 2,3 9,0 8,6
где I - критерий Стьюдента, о - среднее квадратичное отклонение; А - максимальная допустимая погрешность оценки.
РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ОЦЕНКИ СОПРОТИВЛЕНИЯ РАЗДИРУ РЕЗИНОВЫХ ДИАФРАГМ
Основная задача заключалась в обоснованном выборе размера надреза. С одной стороны (при принудительном нанесении перфорации), его размер должен быть сопоставим с толщиной образца, с другой стороны, необходимо учитывать широкий спектр возможных повреждений диафрагмы в процессе эксплуатации. В данном исследовании на образцы предварительно наносились надрезы, величина которых варьировалась от 0,5 до 15 мм. В табл. 2 приведены результаты статистической обработки испытаний на раздир.
Представленные данные свидетельствуют, что увеличение размера дефекта приводит к монотонному снижению сопротивления раздиру. При этом результаты испытаний для образцов с дефектами до 6 мм включительно лежат в пределах до-
Расчет минимального количества образцов, необходимых для получения воспроизводимых результатов, показал, что их должно быть не менее трех.
Разработанные методики просты в аппаратурном исполнении и обеспечивают высокую воспроизводимость результатов, что позволяет рекомендовать их для промышленного использования в качестве экспресс-метода прогнозирования поведения мембран в процессе эксплуатации.
ЛИТЕРАТУРА
1. Бузов Б.А., Модестова Т.А., Алыменкова Н.Д. Материаловедение швейного производства. М.: Легкая промышленность. 1987. 424 с.;
Buzov B.A. Modestova T.A. Alymenkova N.D. Materials technology of sewing manufacture. M.: Legkaya promyshlennost. 1987. 424 p. (in Russian).
2. Резниковский М.М., Лукомская А.И. Механические испытания каучука и резины. М.-Л.: Химия. 1964. 528 с.; Reznikovskiy M.M., Lukomskaya A.I. Mechanical tests of rubber. M.-L.: Khimiya. 1964. 528 p. (in Russian).
3. John S. Dick. Rubber Technology: Compounding and testing for performance. Munich: Hanser. 2001. 620 p.
4. Хромов М. К. // Каучук и резина. 1981. № 8. С. 6-9; Khromov M.K. // Kauchuk i rezina. 1981. N 8. P. 6-9 (in Russian).
5. Крутов В.И., Грушко И.М., Попов В.В Основы научных исследований: учеб. для техн. вузов. М.: Высшая школа. 1989. 400 с.
Krutov V.I., Grushko I.M., Popov V.V. Bases of scientific researches: the textbook for technical high schools. M.: Vysshaya Shkola. 1989. 400 p. (in Russian).
0
e „, %
2
Кафедра химии и технологии переработки эластомеров
