CC BY
11
УДК: 621:678.7
Г. В. ОМЕЛЬЧЕНКО, С. I. МОЙСЕСНКО
Кшвський нацюнальний ушверситет технологш та дизайну
УСТАТКУВАННЯ МОДУЛЬНО1 КОНСТРУКЦП ДЛЯ ВИЗНАЧЕННЯ ДЕФОРМАЦ1ЙНИХ ХАРАКТЕРИСТИК ПОЛ1МЕРНИХ МАТЕР1АЛ1В ПРИ
СТИСКАНН1
У данш роботi обтрунтовано застосування принцитв конструктивноi модуляризацИ в розробцi ново'1' конструкцИ лабораторного малогабаритного економiчного устаткування 3i з'емними вимiрювальними модулями для до^дження пружних властивостей полiмерних матерiалiв при стискант. Описано конструкцiю, принцип роботи та технологiчнi параметри розробленого лабораторного устаткування, яке дозволяе здшснювати випробування на стиснення еластичних полiмерiв з метою визначення ix деформацшних характеристик та модуля пружностi.
Розроблена методика визначення деформацшних характеристик еластичних полiмерниx матерiалiв при стисканнi та модуля пружностi, яка заснована на загальновiдомиx методиках визначення мехатчних характеристик при стискант цих матерiалiв.
Ключовi слова: принцип модуляризацИ, деформащя при стискант, пружн властивостi полiмерiв, метод визначення пружних характеристик при стискант, пружна деформащя полiмерiв, меxанiчнi характеристики еластичних комiркуватиx матерiалiв.
Г. В. ОМЕЛЬЧЕНКО, С. I. МОЙСЕЕНКО
Киевский национальный университет технологий и дизайна
ОБОРУДОВАНИЕ МОДУЛЬНОЙ КОНСТРУКЦИИ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДЕФОРМАЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ ПРИ СЖАТИИ
В данной работе обосновано применение принципов конструктивной модуляризации в разработке новой конструкции лабораторного малогабаритного экономичного оборудования со съемными измерительными модулями для исследования упругих свойств полимерных материалов при сжатии. Описаны конструкция, принцип работы и технические параметры разработанного лабораторного оборудования, которое позволяет осуществлять испытания на сжатие эластичных полимеров с целью определения их деформационных характеристик и модуля упругости.
Разработана методика определения деформационных характеристик эластичных полимерных материалов при сжатии и модуля упругости, которая основана на общеизвестных методиках определения механических характеристик при сжатии таких материалов.
Ключевые слова: принцип модуляризации, деформация при сжатии, упругие свойства полимеров, метод определения упругих характеристик при сжатии, упругая деформация полимеров, механические характеристики эластичных ячеистых материалов.
G. V. OMELCHENKO, S. I. MOISEENKO
Kyiv National University of Technology and Design
THE EQUIPMENT OF MODULAR CONSTRUCTION TO DETERMINE OF DEFORMATION CHARACTERISTICS OF POLYMERIC MATERIALS IN COMPRESSION
This article justifies the application of structural modularization principles in the development of new construction of lab economic compact equipment with removable measurement modules. It has been done for studying the elastic properties of polymeric materials under compression. The paper describes the structure, working principle and technological parameters of the developed laboratory equipment. It allows to realize compression testing of elastic polymers, to determine their deformation characteristics and elastic modulus.
The methods have been developed to measure deformation characteristics of elastic polymer materials under compression and modulus of elasticity. All these are based on the well-known methods for determining deformation characteristics in compression.
Keywords: modularization principle, deformation in compression test , the elastic properties of polymers, the method of determining elastic characteristics in compressive test, resiliency of the elastic polymers, the mechanical properties of elastic cellular materials.
Постановка проблеми
Вщомо, що при виготовленш рiзного спецiального одягу (теплозахисного, захисного вiд механiчних ударiв та iнших видiв) широко використовуються рiзнi полiмернi матерiали (теплозахиснi прокладки, демпферш прокладки та iн.) [1]. Сучасний конкурентоспроможний спецодяг потребуе прогнозування майбутнiх властивостей ще на стадп проектування, що спонукае розробникiв ретельшше вивчати структурнi та механiчнi характеристики матерiалiв. Це зумовлено тим, що рiзнi властивостi матерiалiв можуть значно впливати на !х фiзико-механiчну поведiнку в конкретних експлуатацiйних умовах [2]. Технiко-економiчна ефективнiсть проектних робiт по створенню нових видiв одягу або удосконаленню iснуючих в значнiй мiрi залежить вiд матерiальних витрат на проведения дослвджень та обробку результапв. Аналiз iснуючого устаткування для визначення механiчних характеристик еластичних матерiалiв показав, що вони мають функцiональнi обмеження у вимiрюваниях показник1в, в наслщок чого, так1 дослiджения потребують застосування певно! кiлькостi устаткування. Тому зменшення витрат на закупiвлю дороговартiсного устаткування для дослiджень та пiдвищення функцюнальних можливостей останнього е актуальною задачею.
Для виршення поставлено! задачi необхщно: проаналiзувати iснуючi методики дослвдження полiмерних матерiалiв та устаткування; провести порiвняльний аналiз його вартiсних характеристик та дiапазоmв функцiональних можливостей; розробити проектне рiшения та виготовити устаткування для визначення мехашчних характеристик полiмерних матерiалiв при стисканнi.
Аналiз останнiх дослвджень i публiкацiй Дослiджениями експлуатацiйних властивостей полiмерних матерiалiв для застосування у взуттевш промисловостi, в медичних та транспортувальних цiлях займалися Нiкiтiна Л. Л., Сатомi Каяморi, Ерiц Й. Кунцир, але !х дослiджения недостатш для розробки теплозахисних та демпферних прокладок iз спiнених об'емних полiмерних матерiалiв в одязi рiзного призначення [3-7].
В лiтературних джерелах по дослщженню полiмерних матерiалiв е небагато шформаци вiдносно деформацiйних характеристик стнених полiмерних матерiалiв при стисканнях. Так даннi необхiднi для прогнозування захисних властивостей рiзних видiв одягу та !х елементiв. Саме тому iснуе нагальна потреба у широкому достджент механiчних характеристик полiмерних матерiалiв для можливосп !х застосування в одяз^ Таким чином так1 дослвдження е актуальними.
Формулювання мети досл1дження Пружш властивостi полiмерних прокладок, з яких складаеться пакет матерiалiв спецiального одягу впливають на змiну геометричного розмiру при навантаженнi [8]. Так наприклад, ввд пружиостi утеплювально! прокладки залежить товщина теплозахисного шару при стисканш в умовах експлуатаци, що впливае на термiчний опiр останньо!, а в спещальному одязi для захисту ввд механiчних навантажень вiд пружносл демпферно! прокладки залежить величина поглинання ударного навантаження. Таким чином, для створення спецодягу з заданими теплозахисними або демпферними властивостями, ще на стада проектування необхщним е визначення пружних характеристик пакепв матерiалiв на спецiальному вимiрювальному устаткуваннi.
В результатi аналiзу юнуючого обладнання для визначення механiчних характеристик рiзних матерiалiв встановлено, що воно розповсюджуеться спецiалiзованими торговими органiзацiями в Укралш або за Г! межами та мае достатньо велику варпсть. Остання залежить вiд рiвня комп'ютеризацп i точностi вимiрювання такого устаткування та вщ фiрми-виробника. Мiнiмальна вартють такого обладнання становить в1д 5000 грн. (устаткування китайського виробництва), та вщ 52000 грн. (устаткування шших кра!'н-виробник1в) [9].
Для розробки проектного ршення дослiдного устаткування необх1дно мати уяву про структурш характеристики матерiалiв, як1 планують дослiджувати.
Викладення основного матерiалу досл1дження Аналiз полiмерних прокладочних матерiалiв, як1 в останнiй час все часпше використовуються для виготовлення спецiального одягу та швейних виробiв дозволив встановити, що вони мають стнену структуру з закритими чи ввдкритими комiрками. Ведомо, що структурна будова еластичних комiркуватих полiмерiв також впливае на !х поведiнку при експлуатаци, тому у конструкцiях спещального одягу, найчастiше застосовують спiненi матерiали з закритими порами. Тобто це сшнеш полiетилени або iншi полiмери в структурi яких знаходяться гази або повггря в великих або маленьких комiрках. В залежностi ввд кiлькостi i об'ему комiрок з газом будуть змiнюватись пружнi характеристики такого полiмерного матерiалу [10]. Таким чином залежшсть деформацi! полiмеру вщ стискання буде рiзною. Але б№ша частина полiмерiв, як1 представленi на сучасному ринку Укра!ни та можуть бути потенщально застосованi для проектування та виготовлення високояшсного спецодягу та спецiалiзованих швейних виробiв, не мае вщповвдно! iнформацií щодо показник1в !х механiчних характеристик, що не дозволяе фахiвцям прогнозувати властивостi майбутнього виробу на стадi! проектування.
1снують стандартизован вимоги до визначення залежносп напруження-деформацп при стисканш i напруження стискання, як1 регламентують вимоги до апаратури, зразк1в для випробування, проведення дослiдiв та обробки результатiв [ГОСТ 26605-95 (ISO 3386-1-86)].
Ввдповвдно до дiючих вимог в лаборатори ТКШВ КНУТД було розроблене проектне рiшення, за яким виготовлено малогабаритне вимiрювальне устаткування для визначення деформацшних характеристик зразк1в полiмерних матерiалiв при проведеннi дослвджень при стисканш. На рис. 1 фотографiя розробленого устаткування. Дане проектне ршення робить його конструкцш модульною, технологiчною, нескладною у виготовленш, економiчною за рахунок мгн1м1зац1Г1 складових одиниць з вщносно недорогих матерiалiв та наявностi вимiрювальних модулiв рiзних дiапазонних характеристик та клаав точностi, як1 можуть замшюватися за потребою.
На рис. 2 представлено принципову схему розробленого вимiрювального устаткування. Конструкцiя складаеться з основи 1, трьох стiйок 2 та стального каркасу iз кутик1в 3, на якому жорстко закрiплено корпус 4 з направляючими, в яких рухаеться пiдпружинений стрижень 5 зi з'емним стискаючим модулем у виглвд навантажувально! пластини певного дiаметру 6 та стршкою iндикацii ходу 8. На корпус 4 встановлений керуючий гвинт 7 з маховиком. Плаваюча шкала 9 з щупом 10 закршлена на зовшшнш сторонi корпуса 4. На основi 1 розташовуеться з'емний вимiрювальний модуль (плоский електронний вимiрювач навантаження) 11 на якому знаходиться опорна поверхня 12.
Рис. 1. Фотографiя вимiрювального устаткування модульноТ конструкцп для визначення деформацiйних характеристик полiмерних матерiалiв при стисканнi
Робота вишрювального устаткування по визначенню залежносп напруження-деформацii при стисканнi пол1меру зводиться до наступного: вирiзаеться зразок з пол1мерного матерiалу за шаблоном, який менше або дорiвнюе дiаметру стискаючо! пластини 6; вирiзаний зразок кругло! форми укладаеться на опорну поверхню 12; стрижень зi стискаючою пластиною за допомогою керуючого гвинта 7 опускаеться 6 до поверхш зразка, при цьому фiксуеться початкова точка вимiрювання на плаваючiй шкалi, яка своею конструкщею виключае додаткову похибку при можливш деформацii поверхнi вимiрювального модулю; зразок стискаеться пiд навантаженням, зi швидк1стю 100±20 мм/хв. до досягнення деформацii 25, 40, 50, 70 % вщ початково! товщини зразка. Пiсля чого пiдiймають зi зразка
пластину з пею ж швидшстю доки вщстань мгж стискаючою пластиною та опорою не буде дорiвнювати початковiй товщинi зразка. Одразу повторюють так1 ди три рази та при четвертому цикл стискання фiксують сили при вибранiй певнш деформацп.
Рис. 2. Принципова схема розробленого вимiрювального устаткування модульноТ конструкци
Обробка результатiв проводиться вiдповiдно ГОСТ 26605-95 (ISO 3386-1-86). На 0CH0Bi отриманих даних будуеться графiк залежносп деформацп вiд сили стискаючого навантаження.
З використанням розробленого устаткування за стандартизованою методикою було проведено дослвдження зразк1в рiзних видiв спiнених полiетиленiв укранського виробництва (умовне позначення №1 та №2). Отримаш результати пройшли перевiрку на вiдтворюванiсть дослiдiв за критерiем Кохрена. Вимiрювальний модуль (плоский електронний вимiрювач навантаження Soehnle Page Profi шмецького виробництва) мае шдгвердження виробника на вiдповiднiсть заявленим метролопчним характеристикам. На рис. 3; 4 представлено результати проведених дослiджень у виглядi дiаграм деформування полiмерних матерiалiв, характерний вигляд яких вiдповiдае загальноприйнятим уявленням про залежностi напруження (або навантаження) та деформацп [11,12].
Рис. 3. Дiаграма деформування сшнених полiетиленiв (зразок № 1)
Рис. 4. Дiаграма деформування сшнених полiетиленiв (зразок № 2)
Висновки
Таким чином застосування розробленого вимiрювального устаткування модульно1 конструкцй' розширюе функцюнальш можливостi при проведеннi дослвджень полiмерних матерiалiв рiзноï пружностi та пористих гум; сприяе економiï ресурсiв на виготовлення або закутвлю устаткування для проведення лабораторних робiт пiд час навчального процесу, науково-дослiдних робiт та допроектних дослщжень шд час проектування рiзного асортименту швейних виробiв.
Список використаиоТ лггератури
1. Mills N., Polymer Foams Handbook - Engineering and Biomechanics Applications and Design Guide / N. Mills — Elsevier : Butterworth-Heinemann, 2007 — 562 с.
2. Аверко-Антонович И. Ю., Методы исследования структуры и свойств полимеров: Учеб. Пособие / И. Ю. Аверко-Антонович, Р. Т. Бикмулин. — Казань: КГТУ, 2002. — 604 с.
3. Никитина Л. Л. Современнные полимерные материалы, применяемые для низа обуви / Л. Л. Никитина, Г. И. Гарипова, О. Е Гаврилова//Вестник технологического университета. -2011. -Т.14, №6 - С.150-155
4. Impact of postoperative compression dressing using polyethylene foam pad on the multimodal protocol for swelling control following total knee arthroplasty: a randomized controlled trial / [S. Kayamori, S. Tsukada, M. Sato та ш.]. // Arthroplasty Today. - 2016. -Т.2, №4. - С. 199-204.
5. Kuncir E. J. Load-bearing characteristics of polyethylene foam: an examination of structural and compression properties. / E. J. Kuncir, R. W. Wirta, F. L. Golbranson. // The Journal of Rehabilitation Research and Development. - 1990. - Т.27, №3. - С. 229-238.
6. Straat M. Dielectric Properties of Polyethylene Foams at Medium and High Frequencies / M. Straat, I. Chmutin, A. Boldizar. // Annual transactions of the nordic rheology society. - 2010. - №18. - С. 107117.
7. Geiftler A. Dynamic material properties of a closed-cell polyethylene foam / A. Geiftler, H. Weber. -London: Elsevier, 1990. - С. 552-554.
8. Krumb B. Etude comparative de onze matériaux visco-élastiques destinés à la fabrication de semelles absorbantes du choc/ B. Krumb.// Annales de Kinésithér. - 1990. - №10. - С. 503-507.
9. Alibaba Group (Compressive Testing Machine) [Електронний ресурс] - Режим доступу: http://www.alibaba.com/trade/search7fsb = y&IndexArea = product en& CatId = &Search Text = Impact + Compressive + Testing+ Machine
10. De Vries W. M. Characterization of polymeric foams [Електронний ресурс] / W.M. de Vries // Eindhoven University of Technology: Materials Technology. - 2009. - Режим доступу до ресурсу: http ://www.mate.tue. nl/mate/pdfs/10702_sec .pdf.
11. Шваб'юк, В. I. Отр матерiалiв: тдручник для студ. шженерних спещальностей вищих навчальних заклащв / B.I. Шваб'юк. — К.: Знання, 2016. — 407 с.
12. Мильшков О. В. Отр матерiалiв: Конспект лекцш / О. В. Мильшков. - Тернотль: Видавництво ТНТУ, 2010. - 257 с.
