Автоматические промышленные средства для испытаний полимеров на ползучесть

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ

ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

 

федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Российский государственный университет нефти и газа (национальный исследовательский университет) имени И.М. Губкина»

факультет автоматики и вычислительной техники

Кафедра автоматизации технологических процессов

 

 

 

 

 

 

Курсовой проект

 

Тема: «Автоматические промышленные средства для испытаний полимеров на ползучесть»

 

 

 

 

 

 

 

 

Выполнил: студент группы МП-14-06

Науменко Анжелика Вячеславовна

 

                  Проверил: доцент

                                                       Салащенко Владимир Андреевич

 

 

 

 

 

 

 

 

г. Москва, 2017 г.

Оглавление

 

 

 

Введение.

Полимерами называют высокомолекулярные вещества, молекулы которых состоят из многократно повторяющихся элементарных звеньев одинаковой структуры. Полимеры весьма разнообразны по своему составу, методам получения и свойствам. Это обстоятельство и предопределило быстрое внедрение их в различные области техники, в том числе в строительную, где они нашли широкое применение. В строительной технике полимеры без наполнителей и других добавок применяют сравнительно редко ввиду хрупкости, недостаточной прочности и высокой их стоимости. В строительстве полимеры используют главным образом в виде пластмасс, полимерных материалов и изделии и конструкций из них.

Измерения механических свойств пластмасс наиболее распространенная группа экспериментов в научных исследованиях и инженерных приложениях, связанных с полимерами. Они используются для сравнительной оценки материала, как метод контроля технологического процесса, для определения областей применения данной пластмассы, как способ характеристики строения вещества и для многих других целей, выбор которых ограничен только творческой фантазией исследователя или конкретными задачами производства. Одной из групп методов испытаний является: различные варианты долговременных испытаний, в том числе измерения релаксации и ползучести.

Вследствие проявления в полимерах релаксационных процессов с широким временным спектром их испытания проводят в большом интервале времени воздействия или температур, используя принцип температурно-временной суперпозиции. В ряде случаев механическую работоспособность полимеров оценивают сканирующими методами, например, в условиях линейно возрастающей температуры.

Полимерные материалы более чувствительны к режиму испытаний, чем металлы, поэтому требования даже к однотипному испытательному оборудованию для полимеров и металлов могут отличаться, в частности, по диапазонам нагрузок, деформации, скоростей деформирования, рабочих температур и т. п.

1. Классификация методов измерения, анализ влияния факторов на измерение

1. Классификация методов измерения ползучести.

Ползучестью называют медленную пластическую (необратимую) деформацию изделия под действием созданного в материале напряжения. Строго говоря, способность к деформации под напряжением также называют ползучестью. Когда говорят о большей или меньшей скорости деформации под напряжением, также говорят о большей или меньшей ползучести.

Особенный интерес для специалистов по применению полимеров в условиях длительного нагружения представляет оценка их ползучести. Анализ ползучести и релаксации напряжения весьма интересны также с точки зрения теории вязкоупругости. Для оценки ползучести эластомеров или релаксации напряжений в них могут использоваться чрезвычайно простые методы. В случае жестких материалов измерения несколько усложняются и требуют применения специальных приборов. Для этого необходимы точные измерения малых деформаций или скоростей деформирования.

В общем случае ползучесть у кристаллических веществ меньше, чем у аморфных. На примере полимеров – увеличение степени кристаллизации полимера заметно снижает скорость его деформации под действием напряжения.

Для демонстрации ползучести и численного описания ее величины используют образец материала, деформированный на фиксированную величину. Образец сжимают или растягивают, создавая соответственно напряжение сжатия или растяжения, с возможностью измерения напряжения, и оставляют в зафиксированном виде на длительное время. Постепенная деформация образца приводит к снижению созданного напряжения во времени по экспоненциальному закону. Время, за которое напряжение снизится в некоторое количество раз, называют «временем релаксации напряжений», присущим данному материалу.

Время релаксации напряжений довольно однозначно описывает ползучесть конкретного материала, но трудно применимо для практических расчетов.

Рис. 1. Зависимость напряжения от времени (определение времени релаксации)

В инженерных расчетах используют понятие «предела ползучести» материала – напряжение, которое за заданный период времени при заданной температуре приведет к заданной деформации образца.

Рис.2. Нахождение предела ползучести.

Все напорные трубы из полимеров номинально рассчитаны на 50-летнюю эксплуатацию при заданном внутреннем давлении. Условие успешной эксплуатации – отсутствие разрыва в течение заданного срока. Поэтому предел ползучести полимеров определяют не для какой-то заданной величины деформации, а для полного разрыва образца в течение 50 лет при постоянной температуре 20°С.

Для полимеров предел ползучести имеет особое название. В международном (английском) оригинале – Minimum required strength (MRS). В русской версии – «Минимальная длительная прочность» или «Долговременная прочность» полимера.

В зависимости от температурных условий разделяют следующие методы измерения:

-измерение  характеристик в изотермических  условиях

-измерение  ползучести полимеров в условиях  постоянно возрастающей температуры.

В зависимости от видов нагружения методы измерения делятся на:

-при растяжении

-при сжатии.

Для оценки ползучести полимеров используют следующие параметры:

-деформацию, накопленную за данное время

-среднюю  скорость ползучести

-коэффициенты  ползучести.

Кроме этого принцип измерения ползучести основываются на:

-применении  фотоэлемента

-применении  рычажного механизма.

Для определения параметров ползучести в зависимости от метода строятся:

-кривые деформации

-термомеханические  кривые.

По способу нагружения материалов измерения проводят:

-с непосредственным  нагружением

-с нагружающим  устройством рычажного типа.

1.2 Влияние  факторов на измерение.

1. Агрессивные среды

При действии механических нагрузок ползучесть полимерных материалов в агрессивных средах изменяется (как правило возрастает) по сравнению с ползучестью на воздухе в результате протекания следующих процессов:

-адсорбции компонентов агрессивной среды, приводящей к понижению поверхностной энергии на границе полимер-среда;

-сорбции компонентов агрессивной среды, приводящей к набуханию полимера;

-деструкции, приводящей к распаду химических связей. Как правило, при одновременном действии механического поля и агрессивных сред развиваются значительные деформации.

2. Температура

В первом приближении зависимость скорости ползучести и релаксации напряжения от температуры может быть предсказана по кривым модуль-температура. На рис. показаны кривые ползучести и релаксации напряжения аморфных полимеров при разных температурах, соответствующих различным частям кривой модуль-Температура. Следует отметить, что эти кривые построены в логарифмической шкале времени. Разница между кривыми для различных температур была бы значительно резче, если бы использовалась линейная шкала. Скорость ползучести аморфных полимеров или релаксации напряжений в них мала при низких температурах. Для кристаллических полимеров она мала и при температура значительно превышающих аморфной фазы.

3. Влажность.

При повешенной влажности, параметры ползучести резко изменяется.

4. Кроме вышеперечисленных  факторов на измерение влияют  также старение, скорость нагружения, неоднородность материала.

2. Неразрушающие методы    и приборы.

Полимерные материалы находят все более широкое применение в промышленности. Сегодня очевидным фактом является то, что обеспечение надежной и безопасной эксплуатации ответственных высоконагруженных конструкций из них (строительных конструкций, грузоподъёмных сооружений, трубопроводов, сосудов давления, и т.п.) требует разработки и применения на всех стадиях жизненного цикла конструкций специальных методов неразрушающего контроля. Последние должны в соответствии с действующей нормативно-технической документацией обеспечивать:

- надежное  обнаружение как технологических  дефектов – на стадии изготовления, так и эксплуатационных – на  стадии эксплуатации изделия (конструкции;

- идентификацию  топологии выявленных дефектов (координат  расположения, конфигурации и размеров), используя информационные признаки, связанные с параметрами, характеризующими  потенциальную опасность выявленного  дефекта;

- определение  технического состояния с учетом  потенциальной опасности выявленных  дефектов.

 В настоящее  время в практике неразрушающего  контроля для выявления дефектов  нашли применение практически  все методы и способы, традиционно  применяемые в условиях производства, испытаний и эксплуатации деталей  и агрегатов. Это оптические, электрические, акустические, радиационные, магнитные, тепловые, голографические, микрорадиоволновые и другие методы контроля. Оптические методы (инфракрасная и ультрафиолетовая спектрометрия) широко используются в лабораторной практике полимеров, применению их в неразрушающем контроле уделяется мало внимания. Это объясняется в первую очередь сложностью физической картины взаимодействия света с такой неоднородной средой, как современные пластмассы. Тепловые методы основаны на взаимосвязи между составом и теплофизическими характеристиками полимеров, преимущественно теплопроводностью, благодаря наличию большого количества аналитических формул, связывающих теплопроводность композитов с их структурой.

В основе радиационных методов контроля полимерных материалов лежат процессы взаимодействия проникающего низкоэнергетического излучения (как правило, рентгеновского) с веществом. Наиболее широкое распространение получил ультразвуковой и радиационный методы контроля.  Эффективность применения той или иной системы неразрушающего контроля определяется рядом факторов, из которых основными являются факторы, определяющие достоверность результатов оценки качества (технического состояния) контролируемого объекта и производительность контроля.

Анализ вышеуказанных факторов показывает, что наиболее перспективными, применительно к системам неразрушающего контроля полимерных материалов являются системы, базирующиеся на использовании ультразвукового метода контроля, как метода обладающего наибольшей чувствительностью и информативностью по отношению к характерным технологическим и эксплуатационным дефектам в пластмассах. Несомненным преимуществом применения систем ультразвукового метода неразрушающего контроля является возможность автоматизации процесса контроля, используя при этом достаточно известные на практике решения в построении соответствующих систем.

3. Нормативные документы.

  ТР ТС 012/2011 - О безопасности оборудования для работы во взрывоопасных средах

ТР ТС 004/2011 -  О безопасности низковольтного оборудования

ТР ТС 010/2011 -  О безопасности машин и оборудования

ОКП 220000 - Полимеры, пластические массы, химические волокна и каучуки

ОКП 42 7156 - Машины для испытания полимерных материалов

ГОСТ 18197-2014 - Пластмассы. Метод определения ползучести при растяжении

ГОСТ 28845-90 - Машины для испытания материалов на ползучесть, длительную прочность и релаксацию. Общие технические требования

ГОСТ Р 56787-2015 - Композиты полимерные. Неразрушающий контроль

ГОСТ 24521-80 Контроль неразрушающий оптический. Термины и определения

ГОСТ Р 55809-2013 Контроль неразрушающий. Дефектоскопы ультразвуковые. Методы измерений основных параметров

ГОСТ 18353-79. Контроль неразрушающий. Классификация видов и методов

ГОСТ 11262-80 Пластмассы. Метод испытания на растяжение

ТУ4271-006-99369822-09 "Машины «УТС 1200» для испытания конструкционных материалов на длительную прочность и ползучесть. Технические условия".

4. Методы испытаний.

4.1 Метод определения ползучести при растяжении.

При испытании образцов на ползучесть в условиях растяжения особое значение приобретает соблюдение условий, при которых напряжение в образце, рассчитанное на истинное сечение, остается постоянным. Если к образцу приложить постоянную силу Р, это условие не будет соблюдено, так как вследствие ползучести сечение s образца уменьшается во времени и действующее напряжение возрастает. Чтобы исключить это нежелательное изменение напряжения, следует уменьшать силу Р в соответствии с изменением s. Этого можно достигнуть, применяя рычаг с переменным плечом, которое автоматически уменьшается по мере роста деформации образца.

Для испытания на ползучесть используют образцы в соответствии с ГОСТ 11262-80, если в нормативно-технической документации на конкретную продукцию нет других указаний:

Для испытаний применяют образцы типов 1-3, форма и размеры которых указаны на чертежах 1-3

                    

              Чертеж 1                                                       Чертеж 2

Чертеж 3

Тип, способ и режим изготовления, отбор проб должны соответствовать нормативно-технической документации на материал. При изготовлении образцов механической обработкой из изделий и полуфабрикатов, в том числе из листов и пластин, максимально допустимая толщина должна быть 3 мм для образцов типа 1, соответствовать толщине изделия или полуфабриката, но не более 10 мм для образца типа 2.

При изготовлении образца типа 2 из плиты или изделия, толщина которых более 10 мм, механической обработкой ее доводят до 10 мм. Обработку до требуемой толщины осуществляют с двух сторон в продольном направлении образца, если в нормативно-технической документации на материал нет иных указаний.

Образцы должны иметь гладкую ровную поверхность, без вздутий, сколов, трещин, раковин и других видимых дефектов.

Для испытания изотропных материалов используют не менее пяти образцов, для испытания анизотропных материалов не менее пяти образцов, отобранных в местах и направлениях, которые должны соответствовать нормативно-технической документации на материал.

Обработку результатов эксперимента проводят по следующим формулам:

Напряжение (номинальное) ( ) в МПа вычисляют

Суммарное относительное удлинение , и относительное уменьшение суммарного удлинения при упругом восстановлении ,  вычисляют по формулам:

суммарное относительное удлинение во времени  

или в процентах

относительное уменьшение суммарного удлинения при упругом восстановлении во времени

или в процентах

где

- суммарное удлинение, мм;

- уменьшение суммарного удлинения, мм;

- расчетная длина образца в  заданный момент испытания (момент  снятия нагрузки), мм;

- начальная расчетная длина ненагруженного  образца, мм;

- расчетная длина образца во  времени  после снятия наг

рузки, мм.

Модуль ползучести при растяжении

в МПа и податливость при ползучести при растяжении в МПа вычисляют по формулам:

модуль ползучести при растяжении

,

податливость при ползучести при растяжении

, ,

где

- номинальное напряжение, МПа;

 

- суммарное относительное удлинение (безразмерное) во времени.

При испытании модуль ползучести и податливость частично зависят от напряжения. При определении модуля ползучести и податливости, скорости и показателя ползучести необходимо указать условия их определения (температуру, влажность, напряжение).

Также результат фиксируется в виде кривых ползучести.

Изохронные кривые

"Напряжение (номинальное) - суммарное относительное удлинение"

Кривые "Модуль ползучести при растяжении - время"

Для проведения испытания подобным методом можно воспользоваться испытательной машиной:

МИ-М-50-Р

4.2 Метод определения ползучести при растяжении с применение фотоэлемента.

Другой принцип измерения деформации в условиях ползучести основан на применении фотоэлемента. Фотоэлемент смонтирован на реле с регулирующими опорами, что позволяет расположить образец и фотоэлемент на одной линии.

Фотоэлемент освещается проекционной лампой, расположенной против него. Свет от этой лампы коллимируется так, чтобы параллельный пучок попадал на диффузор, установленный непосредственно перед фотоэлементом. С помощью фотоэлемента измеряется ползучесть или восстановление образца, так как затемнение катода увеличивается благодаря обтюратору, укреплённому непосредственно на свободном конце образца.

При измерении ползучести и других механических характеристик полезно вместе с записью механических показателей проводить определение размеров деформируемого образца не только в продольном, но и в поперечном направлениях. Это позволяет найти изменение коэффициента Пуассона во времени в процессе ползучести или при снятии обычных диаграмм растяжения. Необходимо также учитывать, что ход кривых ползучести зависит от напряженного состоянии.

4.3 Сканирующий  метод измерения ползучести

При измерении ползучести полимера в условиях непрерывно возрастающей температуры определяется зависимость деформации от температуры, получившая название термомеханической кривой.

Термомеханический метод, разработанный уже сравнительно давно В. А. Каргиным и Т. И. Соголовой, получил большое распространение для определения температур переходов в полимерах и областей их физического состояния, ценки молекулярных масс и процессов структурирования и т.д. В последнее время этот метод используют и для расчета релаксационных параметров полимеров.

Для отыскания параметров, характеризующих релаксационное поведение полимерных материалов, по данным термомеханических испытаний используют два подхода. Первый из них связан с привлечением заранее известной температурной зависимости времени релаксации или запaздывания, а второй - с использованием принципа температурно-временной аналогии.

5. Статические характеристики прибора.

Рассмотрим подробно испытательные машины модернизированные МИ-М-50-Р.

Машины испытательные модернизированные МИ-М (далее - машины) предназначены для создания нормированного значения меры силы при косвенных измерениях характеристик механических свойств металлов, пластмасс, резины, бумаги, дерева и других материалов, таких как: модуль упругости, пределы прочности, упругости, текучести и др. путем прямых измерений деформации и силы сопротивления нагружаемого образца.

Машины могут применяться при испытаниях материалов на растяжение, сжатие, изгиб и сдвиг в лабораториях различных отраслей промышленности.

Машины состоят из основания, в котором расположен механизм перемещения активной траверсы с редуктором модернизируемой машины, тензорезисторного силоизмерительного устройства, измерителя изменения расстояния между активными пассивным захватами, вторичного преобразователя - электронного блока управления и системы измерения на базе ПК с программным обеспечением. Подвижная траверса перемещается по направляющим колоннам с помощью управляемого привода. Скорость перемещения подвижной траверсы задается с панели электронного блока управления. Испытываемый образец устанавливается в захватах между подвижной и неподвижной траверсами. Тензорезисторный датчик силы размещен на одной из траверс. В состав машины может входить от одного до трех тензорезисторных датчиков. С подвижной траверсой связан датчик перемещения, выходной сигнал которого обрабатывается электронным блоком и выводиться на дисплей.

Статической характеристикой измерительного устройства называют функциональную зависимость выходного сигнала от входного в статическом режиме работы указанного устройства. Более точно статическую характеристику можно определить, как зависимость информативного параметра выходного сигнала от информативного параметра его входного сигнала в статическом режиме. Статическая характеристика описывается в общем случае некоторым нелинейным уравнением (уравнением преобразования).

Найдем статическую характеристику нашего прибора на основании его принципа действия:

Принцип действия машин основан на преобразовании нагрузки, прикладываемой к испытуемому образцу, тензорезисторным силоизмерительным датчиком в электрический сигнал, изменяющийся пропорционально этой нагрузке, который обрабатывается в электронном блоке и отображается в единицах силы на дисплее электронного блока управления.

Итак, на основании вышеизложенного принципа действия становится известно, что входным сигналом нашего устройства является нагрузка – σ, а в результате измерения получаем выходной сигнал – силу F. Кроме того, машина может выдавать дополнительный выходной сигнал – перемещение подвижной траверсы X.

Дополнительные параметры нашего образца мы задаем вручную на ПК, такие как исходные размеры образца, его плотность и др.

Чувствительным элементом является тензорезисторный датчик.

Сделаем вывод, что статическую характеристику нашего устройство можно записать следующим образом:

F=σ*А0,

где А0 – площадь поперечного сечения образца.

Или:

X=

Метрологические характеристики определяют структуру, конструкцию, технологию производства и характер эксплуатации измерительного прибора (ИП). К основным метрологическим характеристикам относятся погрешность и диапазон измерений ИП.

Под погрешностью ИП подразумевается отклонение выходного сигнала ИП от номинального значения, соответствующего истинному значению входной величины.

Приведем основные метрологические характеристики МИ-М-50-Р

Диапазон измерения перемещения, мм....от 0,1 до 1500

Диапазон воспроизведения скорости перемещения активной траверсы, мм/мин от 1 до 1000

Пределы допускаемой относительной погрешности:

-измерения  нагрузки ± 1 %

- перемещения  активной траверсы ±0,5%

- измерения  деформации (удлинения) ± 1 %

- воспроизведения (регулирования) скорости активной  траверсы ±0,5%

Эталоном при проведении испытаний является образец того же состава что и испытуемый, находящийся при нормальных условиях окружающей среды при отсутствии нагрузки.

6. Динамические характеристики прибора.

Динамическими называют такие характеристики ИП, которые проявляются лишь при работе прибора в динамическом режиме, т. е. при преобразованиях переменных во времени величин. Динамические характеристики описывают свойства измерительного преобразователя при быстрых изменениях измеряемой величины.

Динамические характеристики нормируются путем задания номинального дифференциального уравнения или передаточной, переходной, импульсной весовой функции. Одновременно нормируются наибольшие допустимые отклонения динамических характеристик от номинальных.

К динамическим характеристикам ИП следует отнести время установления показаний  и время начала реагирования, которые определяются протеканием переходного процесса в ИП после подачи на него входного сигнала в виде скачка.

Инерционность ИП характеризуется временем начала реагирования и временем установления показаний по определенному уровню.

Динамический диапазон - область входных величин, преобразуемая ИП без заметных искажений.

Для автоматических машин для измерения ползучести и длительной прочности должны нормироваться следующие динамические характеристики:

- время готовности  машины к работе

- время начала  реагирования

 

7. Средства анализа и обработки информации.

Функции, выполняемые вычислительными средствами в измерительных приборах. Их можно условно разделить на две группы:

- функции  обработки информации от первичных  преобразователей;

- функции  управления.

К первой группе относятся такие функции как реализация основных алгоритмов (решение систем уравнений, дифференцирование и интегрирование, фильтрация, свертка, обработка изображений и т.д.), статистическая обработка данных (вычисление средних значений, построение гистограмм).

Во вторую группу входят функции:

-управление  режимом работы прибора (установка  чувствительности, перестройка полосы  пропускания фильтров и т.д.);

-управление  калибровкой  (установка нуля, проверка градуировки по электрическим сигналам или образцам);

-самодиагностика (проверка работоспособности прибора, определение неисправности);

-управление  внешними устройствами (индикаторами, системами сканирования).

В нашем устройстве все эти пункты явно выражены:

Электронный блок управления служит для коммуникации всех поступающих сигналов и их предварительной обработки. Электронный блок функционирует совместно с подключаемым к нему внешним компьютером, на котором установлено специальное программное обеспечение, входящее в комплект поставки. Компьютер управляет всеми операциями, производит обработку поступающих от электронного блока данных и отображает на экране измеряемые значения силы и перемещения в реальном времени. Эти значения могут быть использованы для дальнейшего автоматического вычисления различных характеристик испытываемых образцов (относительного удлинения, жесткости образца, модуля упругости, энергии, затраченной на его разрушение и др.). Характеристики образца вычисляются с использованием предварительно внесенных данных (например, исходные размеры образца, его плотность и др.). Компьютер обеспечивает полное управление машиной, хранение процедур испытаний и их результатов, их статистическую обработку и отображение на экране различной числовой и графической информации (например, нагрузочных кривых).