При решении материаловедческих и технологических задач важно знать физико-механические характеристики изделий, относящиеся к механическим воздействиям, близким к условиям их эксплуатации. Необходимость изучения механических свойств синтетических нитей в динамических режимах нагружения обоснована тем, что в ряде случаев при производстве и эксплуатации этих нитей и изделий из них к статическим нагружениям добавляются различные динамические воздействия. С целью воссоздания механических воздействий, близких к режимам эксплуатации, на кафедре сопротивления материалов СПГУТД был создан прибор для проведения динамических испытаний, схема которого представлена на рис.1.

Существует множество способов оценки динамических характеристик материалов. Данная установка предназначена для одновременного измерения напряжения (о) и деформации (е) при свободном падении груза. В начальный момент времени деформация и напряжение в образце равны нулю.

Прибор состоит из двух вертикальных стоек, на которых установлены три горизонтальные платформы; две из них неподвижны, а средняя выполнена с возможностью вертикального перемещения. На подвижной платформе расположен узел для выведения образца с грузом из положения равновесия, состоящий из электромагнита с сердечником. Нижний зажим имеет возможность перемещения в направляющих, установленных на средней платформе. Верхний зажим, служащий для измерения напряжения, выполнен в виде упругой консоли большой жесткости, малые деформации которой измеряются при помощи тензодатчиков и сельсин-датчика. Зажим выполнен без сосредоточенной массы, что исключает воздействие на частоту колебаний образца. Для измерения деформации образца на вертикальной стойке расположен сельсин-датчик, фиксирующий перемещения нижнего зажима.

Методика определения динамических характеристик полимерных нитей методом свободных продольных колебаний состоит из нескольких этапов. На этапе подготовки устройства к испытаниям на электромагнит 10 подают заданное напряжение, после чего происходит взаимодействие металлической платформы 9, установленной на нижнем зажиме, с электромагнитом. При помощи осциллографа, подключенного к прибору, обнуляются показания сельсин-датчиков и с помощью регулировочного сопротивления выставляется равновесие моста тензодатчика 4. Образец 5 продевают через отверстие верхнего зажима 3, огибая поверхность 18, и зажимают оба конца в захват нижнего зажима 6, придав образцу необходимое преднатяжение. Устанавливают опорную поверхность плеча сельсин-датчика 16. На площадку 7 нижнего зажима помещают статический наборный груз 8, не вызывающий напряжения в образце из-за реакции электромагнита и металлической платформы 9. Устанавливают плечо сельсин-датчика 15 на опорную поверхность нижнего зажима. На этапе проведения эксперимента переключают осциллограф в режим записи, отключают питание от электромагнита, тем самым прекращая взаимодействие платформы с электромагнитом. Приложенная к платформе нагрузка 7 через шестигранную часть нижнего зажима, проходящую через отверстие 14, прорезанное в подвижной горизонтальной платформе 13, и захват 6, передается на образец, который начинает деформироваться, совершая колебательные движения около своего положения равновесия. С помощью тензодатчика 4, расположенного на верхнем зажиме 3 консольного типа, регистрируют усилие на образце. Используя сельсин-датчик 15, закрепленный с возможностью вертикального перемещения на стойке 12, одновременно регистрируют частоту и амплитуду колебаний нижнего зажима. Сельсин-датчик 16, расположенный на дополнительной платформе 17, регистрирует прогиб балки при проведении испытаний.

Полученные значения перестраивают в относительные величины о и е. В результате вычислений получают графики изменения напряжений (рис.2) и деформации (рис.3) образца от времени.

Фиксируя значения пикового напряжения и деформации в образце (точки А и Б), можно рассчитать динамическую жесткость (секущий модуль) как отношение пикового напряжения к пиковой деформации и динамический коэффициент как отношение пикового значения к статическому напряжению от того же груза. Используя кривую деформации, можно точно проследить изменение скорости деформирования образца. Так, при минимальной нагрузке скорость деформирования мала, но с увеличением массы груза увеличивается (рис.4). Пиковое напряжение, возникающее в образце, также зависит от приложенной нагрузки, поэтому динамический коэффициент будет зависеть от прикладываемого усилия.

Используя полученные значения, кроме приведенных параметров, можно рассчитать динамический модуль упругости Е_ДИН, коэффициент жесткости k_Ж, тангенс угла механических потерь tgδ и динамический модуль потерь Е_ПОТ известным способом:

где l, γ, T - длина, объемная и линейная плотность нити; m - масса подвешиваемого груза; w - циклическая частота колебаний нити с грузом.

где Δ - логарифмический декремент затухания; δ - угол механических потерь.

Используя эти параметры, можно предсказать поведение изделия при мгновенном приложении нагрузки, учесть особенности материала при конструировании изделий как технического, так и бытового назначения. При проектировании ремней безопасности, парашютных строп, тросов и прочих изделий необходимо использовать материалы, способные гасить мгновенно приложенные напряжения и дальнейшие колебания. При проектировании зубчатых ремней, испытывающих мгновенное приложение нагрузки при пуске передачи, необходимо применять материалы, исключающие удлинение рабочей ветви, так как в противном случае будет изменяться шаг зубьев ремня, что приведет к повышенному износу его рабочей поверхности.

При расчете параметров технологических переходов необходимо учитывать поведение материалов при мгновенном приложении нагрузки, так как в связи с увеличением производительности оборудования возрастает скорость и прилагаемое усилие. Отсутствие информации о поведении материала при динамическом нагружении может привести к увеличению брака. Так, швейные нитки при эксплуатации испытывают именно динамическое нагружение. На стадии затягивания петли напряжение нити достигает 50% от разрывного. Чтобы сократить обрывность, необходимо исследовать динамические характеристики нити и подобрать соответствующий режим её эксплуатации.

• Обосновывается необходимость изучения свойств синтетических нитей, проявляемых при мгновенном приложении нагрузки в условиях эксплуатации.
• Описана установка для проведения испытаний.
• Приводятся параметры, которые описывают поведение материала.