CC BY
16
УДК 691.33
Д. Г. Имайкин, Р. А. Ибрагимов
УСТАНОВКА ДЛЯ УСКОРЕННОГО ИСПЫТАНИЯ ТЕНТОВЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ
Ключевые слова: тентовые материалы, исследование, факторы, срок службы.
В статье приведена установка для ускоренного испытания тентовых материалов на эксплуатационные воздействия. Представлены формулы для определения растягивающих нагрузок при проведении испытаний. Выявлено, что в расчетах необходимо учитывать то, что температура на образцах, испытываемых на представленной установке, в одно и то же время неодинакова.
Keywords: Awning materials, study, factors, life time.
The article describes the setup for the accelerated testing of tent material impact on the performance. The formulas for determining the tensile loads during searcheth-tions. It was found that the calculations must take into account the fact that the temperature of the test specimen-Mykh provided on the installation, in the same time different.
Введение
Ранее [1] было установлено, что для ускоренного определения предполагаемого срока службы тентовых строительных материалов при воздействии эксплуатационных факторов необходимо воспроизвести их воздействие в лабораторных условиях в более "жестких" режимах, имитирующих природные факторы за более короткое время. Применительно к тентовым материалам, можно выделить основные факторы, наиболее сильно влияющие на срок их службы:
- статическая растягивающая нагрузка от собственного веса и преднапряжения;
- кратковременные растягивающие нагрузки от ветрового воздействия;
- многократно повторяющиеся изгибающие нагрузки в местах контакта тентового материала жесткого каркаса сооружения с различными радиусами закругления "узлового" соединения;
- повышенная температура и УФ-радиация материала от солнечного света.
Как было показано ранее [2-4] в узле на материал действует многократно изменяющаяся растягивающая и изгибающая нагрузка, причем характер ее такой, что при максимальной растягивающей нагрузке как правило и максимален угол загиба материала. Кроме того, на напряженное состояние материала влияет и радиус закругления зажима. В [5] было показано, что растягивающая нагрузка в узле практически одноосная.
Для воспроизведения этих условий была создана установка путем модернизации установки испытания материала на многократный изгиб [6].
Схема установки приведена на рис.1.
Образцы материала 1 закрепляются в нижний зажим 2 и верхний зажим 3. Нижний зажим через тягу 4 с помощью поджимной гайки 5 закрепляются за опорную раму 6. Таким образом, нижний зажим 2 может перемещаться в вертикальном направлении при вращении гайки 5. Верхний зажим может совершать вращательные движения. Он закреплен на оси 7 которая закреплена подшипниками в обоймах 8. Вращательные колебания верхнему зажиму через систему передач сообщается от электромотора 9.
Электромотор вращает маховик 10 редуктора 11. На маховике и на зубчатом колесе 12 имеются жестко закрепленные опорные стержни 13. Эти стержни соединены тягой 14, которая относительно каждого стержня имеет одну степень свободы - вращение вокруг осей стержней. На зубчатом колесе 12 совершаются вращательные колебания. Эти колебания передаются на передаются на сцепленные с ним зубчатые колеса 15, жестко закрепленные на осях 7 и вращательные колебания передаются на зажимы 3. Принцип создания механической нагрузки наглядно представлен на рис. 2, на нем также представлена расчетная схема определения растягивающей нагрузки.
Рис. 1 - Установка для ускоренного испытания тентовых материалов
При повороте зажима 3 на угол á образец I первоначальной длины l удлиняется на величину Al и в образце возникает растягивающее усилие, которое тем выше, чем больше угол поворота верхнего зажима á. Если á = 0, то растягивающее усилие можно создать, вращая гайку 5. Это будет статическая составляющая растягивающей нагрузки Nc. Растягивающая нагрузка при повороте зажима 3 - динамическая составляющая Nd. Общая величина растягивающей нагрузки N определится сложением ее статической и динамической составляющей: N = Nc + Nd. Величину Nd определим из расчетной схемы рис.2:
М = ■<]l2 + 2r(l + r)(1 - cosa) -1 (1)
Величину растягивающей нагрузки определяем по формуле:
N = Л-* = а * I
. 2г(г + !)п ч ,
1 +-—--(1 - 008«) -1
(2)
где А - коэффициент пропорциональности между относительным удлинением материала и величиной приложенного к нему усилия.
а
б)
Рис. 2 - Схема узла нагружения тентового материала в «узле»: 1 - испытуемый тентовый материал; 2 - нижний неподвижный зажим; 3 - верхний зажим, который может принудительно поворачиваться на определенный угол, создавая тем самым совместное воздействие растягивающей и изгибающей нагрузки; 4 - тяга нижнего захвата; 5 - гайка, вращением которой мы можем создавать начальное растягивающее усилие (имитирующее нагрузку от собственного веса и предна-пряжения материала); 6 - опора; 7 - сменная накладка, имеющая определенный радиус места контакта материала и каркаса
Коэффициент А зависит от многих факторов: величины растягивающей нагрузки, скорости ее приложения, от предыстории материала, от индивидуальных особенностей каждого конкретного образца. Поэтому весьма затруднительно пользоваться формулой (2) для определения величины нагрузки в каждом цикле нагружения - разгружения. Она используется только для подбора таких значений а, г и I, чтобы форма одного цикла нагружения была синусоидальной.
Для более точного определения величины растягивающей нагрузки на каждом образце было созда-
но специальное устройство. Он позволяет на каждом образце определять величину как статической, так и динамической составляющих нагрузки.
В связи с тем, что солнечная радиация является мощным фактором разрушения полимерных материалов при эксплуатации, выбор источника ультрафиолетового излучения для ускоренных испытаний имеет важное значение. Для проведения корректных исследований старения пленочно-тканевых материалов необходимо иметь источник света, излучение которого по спектральному составу максимально совпадало бы со спектральным составом солнечного света.
В лабораториях по испытанию полимерных материалов на атмосферостойкость для моделирования воздействия солнечного света используются ртутно-кварцевые, ртутно-дуговые, флуоресцентные, угольно-дуговые, ксеноновые и др., включающие в свой спектр волны длиной 290-400 нм, то есть наиболее разрушительную для полимеров часть УФ излучения, имеющуюся и в солнечном свете на поверхности Земли [7-8]. По своему спектральному составу для моделирования солнечного света наиболее подходящими являются ксеноновые лампы со светофильтрами из стекла «Пирекс», и водяным охлаждением. Поэтому в качестве источника ультрафиолетового излучения была выбрана ксеноновая лампа 16 марки ДКСТВ-6000 с мощностью излучения 6 кВт и водяным охлаждением. Лампа работает от зажигающего устройства ПВДКсЛ-0,1. Интенсивность УФ измерялась прибором УФИ-53.
Ось лампы расположена параллельно оси подвижного зажима, что вызывает неравномерность интенсивности потоков УФ излучения для различных образцов: максимальная интенсивность приходится на образцы, расположенные в центре подвижного зажима, минимальная - на крайние образцы. Для уменьшения разности интенсивностей потоков УФ радиации для различных образцов лампа была отнесена от них как можно дальше, а для создания направленности излучения был создан рефлектор 17 из отполированной стали. Лампа расположена на расстоянии половины радиуса кривизны рефлектора на линии главной оптической оси зеркала. Кроме создания направленного светового излучения рефлектор также защищает окружающее оборудование и людей от мощного УФ и ИК излучения. Он охлаждается путем обдувания воздухом от работы вентилятора. Держатель лампы и рефлекторы вентилятора 18 выполнен перемещающимся для регулирования интенсивности падающего на образцы потока УФ радиации. Он закреплен на специальной выносной полке 19 с помощью гайки 20, при вращении которой и происходит перемещение держателя 18. Как известно [4], интенсивность излучения лампы после длительного времени работы падает (рис. 1). Для поддержания стабильности потока излучения, кроме конструктивных мер, изложенных в [4], применяется изменение расстояния от лампы до образцов.
Кроме УФ волн и волн видимой части спектра, лампы ДКСТВ-6000 излучают и инфракрасные спектры большей интенсивности. Это излучение
было использовано для создания на образцах материала температурных воздействий.
Повышенная температура в образцах создается и поддерживается инфракрасным излучением лампы ДКСТВ-6000, а также системой вентиляторов 21 (на рис. 1 для простоты показан только один вентилятор, в реальности их четыре). Эти вентиляторы автоматически заключаются через контактный термометр при повышении температуры выше необходимого уровня и при обдувании образцов холодным воздухом температура на них понижается и вентиляторы автоматически отключаются. Колбочка термометра находится между 3-м и 4-м образцами. Таким образом, на образцах поддерживается практически постоянная температура. Для увеличения эффективности действия вентиляторы установлены так, чтобы поток воздуха от них двигался почти параллельно поверхности образцов. Один вентилятор установлен так, чтобы обдувать только образцы, второй обдувает кроме образцов еще и рефлектор для его охлаждения. Вследствие того, что температура на образцах задается излучением, то для соответствия показания температуры контактным термометром действительной температуре образцов ртутные колбочки контактных термометров обернуты тонким слоем пленочного покрытия, испытываемых материалов. Кроме того, для устранения влияния на показания термометра его температурной инерционности за колбочкой установлен отражающий экран цилиндрической формы из алюминиевой фольги, чтобы колбочка прогревалась одновременно со всех сторон.
Выводы
В расчетах необходимо учитывать то, что температура на образцах в одно и то же время неодинакова. Это вызвано тем, что интенсивность излучения, в том числе теплового, на разные образцы неодинако-
ва, как было сказано выше, а контактные термометры фиксируют температуру образцов, стоящих в середине зажима. Опыты показали, что температура на крайних образцах практически постоянно ниже температуры средних образцов на 8°С, а вторых от края на 3°С. Эти поправки вводятся при определении температуры испытания.
Литература
1. Имайкин Д.Г., Ибрагимов Р. А. Исследование факторов, влияющих на срок службы тентовых строительных материалов. Вестник Казанского технологического университета. 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 государственного архитектурно-строительного университета. 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 государственного архитектурно-строительного университета. 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].
