Поиск в базе сайта:
Физико-механические свойства ориентированных стеклопластиков кандидат технических наук Г. Д. Андреевская icon

Физико-механические свойства ориентированных стеклопластиков кандидат технических наук Г. Д. Андреевская




Скачать 331.66 Kb.
НазваниеФизико-механические свойства ориентированных стеклопластиков кандидат технических наук Г. Д. Андреевская
Дата конвертации12.05.2015
Вес331.66 Kb.
КатегорияТексты



ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ОРИЕНТИРОВАННЫХ СТЕКЛОПЛАСТИКОВ

Кандидат технических наук Г. Д. АНДРЕЕВСКАЯ

Армированные пластики, в частности стеклопластики, приобретают все большее значение в современной технике и науке. Это объясняется исключительным комплексом свойств указанных материалов: высокими механическими и диэлектрическими характеристиками, термостой­костью, низкой теплопроводностью, химической стойкостью и малым удельным весом. Легкие и высокопрочные конструкции из армирован­ных пластиков применяются в наиболее передовых отраслях промыш­ленности — авиации и ракетной технике.

Армированные пластики представляют собой гетерогенную систему, состоящую из волокон и полимерных связующих;, поэтому основные научные задачи в области стеклопластиков сводятся, с одной стороны, к эффективному использованию свойств обоих указанных компонен­тов, а с другой — созданию возможно более «монолитных» материалов, так как именно «монолитность» армированной системы обеспечивает совместную деформацию волокон и смол в процессе нагружения компо­зиционного материала, а отсюда — механическую прочность.

Для решения проблемы получения армированных пластиков с за­данными свойствами необходимо всестороннее исследование физико-механических характеристик этих материалов и создание теории рас­чета, позволяющей определять характеристики армированных пласти­ков на основании известных свойств исходных компонентов. Физико-механические характеристики стеклопластиков составляют следующие факторы: прочность стеклянных волокон и их ориентация в полимер­ном связующем; механические и физико-химические свойства тонких пленок полимерных связующих, обволакивающих волокна и обеспечи­вающих их совместную деформацию; адгезия полимеров к волокнам, их способность смачивать волокна и равномерно распределяться меж­ду ними, а также условия полимеризации и другие технологические факторы.

Рассмотрим несколько подробнее отдельные вопросы, касающиеся физико-механических свойств стеклопластиков.

Основной интерес представляет здесь прочность стеклянных воло­кон. Она неразрывно связана с состоянием поверхности стекловолокна, т. е. с наличием микротрещин или других дефектов на волокнах и влия­нием агрессивных сред, в первую очередь атмосферной влаги, на эти дефекты. Механическая прочность силикатных волокон зависит также от их диаметра, химического состава стекол и «тепловой истории воло-

5 Вестник АН СССР, № 5

66

^ Г. Д. АНДРЕЕВСКАЯ

кон, т. е. условий их вытягивания из расплавленной массы стекла. Эти вопросы достаточно хорошо и полно изучены как у нас, так и за гра­ницей.

Наиболее интересным и наименее исследованным представляется вопрос жесткости силикатных волокон. Малая по сравнению с метал­лами жесткость конструкционных стеклопластиков составляет серьез­ный недостаток, так как часто затрудняет эффективное применение их п некоторых высокопрочных конструкциях. Металлические же волокна, хотя и обладают высоким модулем упругости, присущим металлам, имеют сравнительно малую прочность при растяжении и большой удельный вес.

Исследование физико-механических свойств армированных пласти­ков на основе композиций из силикатных и металлических волокон, а также изыскание возможности создания волокнистой арматуры, обла­дающей не только высокой прочностью, но и жесткостью,—весьма актуальные научные и технические задачи. Один из путей к их разреше­нию— разработка метода получения непрерывных волокон из кварца и некоторых природных минералов, например, базальта, так как подобные волокна обладают высокой термостойкостью и большей жесткостью, чем обычные стеклянные волокна.

Очень интересен вопрос, имеющий как экспериментальное, так и теоретическое значение, о возможности получения высокопрочных арми­рованных пластиков из синтетических волокон. Некоторые синтетиче­ские волокна имеют весьма высокую механическую прочность, прибли­жающуюся к прочности силикатных волокон, малым объемным весом и способностью к удлинению гораздо большей, чем хрупкие стеклян­ные волокна.

Большое влияние на прочность стеклопластиков оказывает ориен­тация волокон в полимерных связующих. По характеру расположения волокон в стеклопластиках их можно разделить на материалы с ориен­тированной и неориентированной структурой. К неориентированным стеклопластикам относятся различные так называемые стеклорогожки, стекломаты. Они характеризуются беспорядочным расположением во­локон, имеющих малую длину (примерно 20—40 мм), и низкой меха­нической прочностью, обычно не выше 7—15 кГ/мм2.

К ориентированным стеклопластикам относятся синтетические во­локнистые анизотропные материалы — СВАМ, стеклопластик АГ-4С, различные стекловолокнистые материалы из стеклонитей. Их проч­ность при растяжении достигает 100—120 кГ/мм2 и выше для структур с волокнами, расположенными в направлении растяжения.

Синтетические волокнистые анизотропные материалы представляют наиболее яркий пример ориентированных стеклопластиков, обладающих высокой прочностью. Технология получения СВАМ — ориентация и на­тяжение волокон в полимерном связующем, нанесение смолы на све­жие волокна тотчас по вытягивании их из фильерной пластинки элек­тропечи; исклкмение всех текстильных переработок, в частности пере­плетения волокон,— обеспечивает ему очень высокие физико-механиче­ские свойства '. Это вполне закономерно и может быть объяснено сле­дующими причинами. Образование защитной пленки из смолы на све­жих, неповрежденных волокнах предохраняет их от вредного воздейст­вия атмосферной влаги и позволяет сохранить в материале высокую прочность исходных волокон. Исключение из процесса получения мате-

1 А. К- Буров, Г. Д. Андреевская. Синтетические волокнистые анизотроп ные структуры. Изд-во АН СССР, 1952.

^ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ОРИЕНТИРОВАННЫХ СТЕКЛОПЛАСТИКОВ QJ

риала всех текстильных переработок приводит, с одной стороны, кулуч-шению адгезионной прочности (из-за отсутствия замасливателей, ухудшающих адгезию), а с другой стороны, позволяет получать стек­лопластик с высоким сопротивлением сжатию.

В материалах с переплетенными волокнами— стеклотекстолитах, изготовленных из стеклотканей,— при приложении нагрузки в местах переплетения волокон возникают дополнительные напряжения от из­гиба и контактные напряжения, неизбежно приводящие к понижению прочности, особенно при сжатии. У стеклотекстолитов прочность на сжатие составляет только 7з величины прочности на растяжение, а у СВАМ прочность на сжатие почти не отличается по абсолютной вели­чине от прочности на растяжение.

Недостатки стеклотекстолитов порождены в основном тем, что тех­нология получения тканей из органических волокон, гибких и облада­ющих большими удлинениями, была целиком применена для получения текстильных материалов из стеклянных волокон, которые в отличие от органических весьма хрупки, обладают очень малыми удлинениями и нестойки к истиранию. После всех текстильных переработок в готовом стеклотекстолите теряется значительная доля прочности тонких стек­лянных волокон.

В последние годы получены новые данные по вопросу поведения полимерных связующих в процессе нагружения ориентированных стек­лопластиков.

Экспериментальными и теоретическими исследованиями В. А. Кар­тина и Г. Л. Слонимского2 было изучено термомеханическое поведение полимеров с линейной цепочечной структурой и некоторых полимеров с жесткой сетчатой структурой. Установление закономерностей дефор­мации жестких сетчатых полимеров (например, эпоксидных и поли­эфирных смол) очень важно, так как именно эти полимеры представ­ляют значительный интерес для получения армированных пластиков с высокими физико-механическими свойствами.

Деформация полимеров слагается из трех ее видов: упругой (обра­тимые деформации, пропорциональные напряжению, т. е. подчиняю­щиеся закону Гука); высокоэластической (обратимые, эластические де­формации, исчезающие не одновременно со снятием напряжения) и остаточной (пластические, полностью необратимые деформации).

При изучении деформации полимеров- различной химической струк­туры существенно установить не только их результативные характери­стики, например прочность при растяжении, сжатии, упругие константы и пр., но также выяснить те основные закономерности, 'которым подчи­няется полимер при его деформировании, так как это поможет в даль­нейшем при разработке теории расчета армированных систем и созда­нии материалов с заданными свойствами.

В качестве полимера с жесткой сетчатой структурой из лаборатории армированных пластиков Института химической физики Академии наук СССР экспериментально и теоретически исследовались тонкие пленки бутваро-фенольной смолы. Было установлено, что при приложении на­пряжения в данном полимере развиваются в основном обратимые де­формации—упругая и высокоэластическая, а остаточной, необратимой деформации практически не наблюдается3. Из современных представ­лений о природе полимеров следует, что в линейных полимерах высоко­эластическая деформация обусловлена механизмом распрямления це-

2 В. А. Каргин, Г. Л. Слонимский. Очерки по физико-химии полимеров.
Изд-во МГУ, 1960.

3 А. Л. Рабинович. «Высокомолекулярные соединения», 1959, т. 1, вып. 7.

5*

68

^ Г. Д. АНДРЕЕВСКАЯ







ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ОРИЕНТИРОВАННЫХ СТЕКЛОПЛАСТИКОВ

па, способная к дальнейшей реакции с полимерными связующими (на­пример, радикалы с ненасыщенными связями или амино-группа).

В результате воздействия гидрофобно-адгезионных веществ на стек­лянные волокна происходят реакции гидролиза на поверхности стекла и образование водонепроницаемости пленки, а также реакции групп с ненасыщенными связями (входящими в структуру гидрофобно-адге­зионных веществ) с функциональными группами полимерных связую­щих, что приводит к увеличению адгезии этих полимеров к обработан­ному стеклу.

Таким образом, с помощью специальных поверхностно-активных ве­ществ удается управлять процессами взаимодействия между полиме­рами и армирующими их стеклянными волокнами и получать стекло­пластики с очень высокими физико-механическими свойствами. Синтез этих специальных веществ является весьма актуальной задачей.

В большой степени прочность ориентированных стеклопластиков за­висит и от совместной работы стеклянных волокон и пленок смолы при нагружении армированной системы. При растяжении стеклопластика, состоящего из волокон, ориентированных в смоле параллельно друг другу в направлении действия нагрузки, волокна деформируются не­одинаково (вследствие неравномерности натяжения всех волокон, нали­чия на их поверхности различных опасных микродефектов и пр.) и разрушение материала начинается с какой-то отдельной их части. По­этому очень важна совместная деформация всех волокон при растяже­нии материала вплоть до разрушения. Это условие обеспечивают свя­зующие, обладающие хорошей адгезией к стеклу и соответствующими механическими характеристиками: удлинениями, одинаковыми или не­сколько превышающими удлинения волокон, высокими упругими и проч­ностными свойствами.

Эти представления, развиваемые нами, базируются на эксперимен­тальных данных. Применяя в качестве связующих некоторые модифи­кации эпоксидных смол, обладающих высокой адгезией к стеклу, хо­рошей эластичностью и (сравнительно с другими смолами) высокими механическими характеристиками, в ориентированных стеклопластиках удается «реализовать» высокую'прочность тонких (диаметром 9—10 мк) волокон, т. е. получить образцы армированных систем с прочностью на растяжение до 150 кГ/мм2. С другой стороны, применение хрупких смол с плохой адгезией к стеклу (например, полистирола или бакелитовых лаков) приводит к получению армированных систем с прочностью не выше 50—60 кГ/мм2.

Таким образом, основные принципы получения ориентированных стек­лопластиков сводятся к следующему: нанесение полимерного связующе­го на свежие, неповрежденные волокна; подбор клеящей среды с хоро­шей адгезией к стеклу и с высокими механическими характеристиками; обеспечение совместной деформации волокон и пленок смолы в процес­се нагружеыия материала. Все это позволяет эффективно использовать высокую «потенциальную» прочность волокон в армированной системе. Важнейшие научные задачи в области проблемы армированных пластиков, стоящие сейчас перед нашими учеными,— это дальнейшее развитие экспериментальных работ по получению высокопрочных ори­ентированных стеклопластиков, исследование вопросов, связанных с процессами взаимодействия на границе раздела «стекло — смола», со­здание теории расчета прочности армированных систем, базирующихся на изучении свойств их компонентов и исследования закономерностей их совместной деформации, а также создание научных основ перера­ботки армированных пластиков в различные изделия.

^ ВОДНЫЕ КУЛЬТУРЫ ДЛЯ ВЫРАЩИВАНИЯ ОВОЩЕЙ

Доктор биологических наук 3. И. ЖУРБИЦКИЙ

Выращивание растений на водных растворах минеральных солей, содержащих все необходимые для растений питательные элементы, имеет длинную историю. Еще более 100 лет назад, в 1859 г. немецкий агрохимик Ф. Кноп предложил состав питательной смеси для выращи­вания растений, который в тех или иных вариантах до сих пор приме­няется в исследовательской работе, правда, с дополнением ряда элемен­тов, требующихся растениям в весьма ограниченных количествах. Это в первую очередь марганец, бор, медь, цинк, молибден.

В России работы с питательными смесями были начаты в прошлом столетии. Д. Н. Прянишников, приступивший к исследованиям в этом направлении еще в 1891 г., предложил оригинальную питательную смесь, отличавшуюся от смеси Ф. Кнопа составом солей.

Однако до самого последнего времени выращивание растений на питательных растворах применялось только в научно-исследовательских целях. Впервые в 1929 г. проф. Дж. Герике в Калифорнийском универ­ситете получил большой урожай помидоров на питательных растворах. Он назвал этот метод «гидропоникой», используя греческие слова, обо­значающие работу с водой. С тех пор выращивание растений на пита­тельных растворах в производственных масштабах начало распрост­раняться в Америке, в европейских странах и в Азии, в частности в Индии. Но если вначале для этой цели применялись натянутые над пи­тательным раствором сетки, то в настоящее время повсюду предпочте­ние отдается выращиванию растений на грубозернистом песке или на гравии, в который на ограниченные промежутки времени подается питательный раствор, чтобы попеременно обеспечивать корневую систе­му то нужными солями, то воздухом.

Применение гравия требует существенных затрат на его заготовку и доставку, на переноску в теплицы, а также на последующую промыв­ку, освобождение от корневой системы предшествующей культуры и протравливание от болезней и вредителей. В связи с этим нами были проведены исследования, которые показали, что при улучшенной тех­нике ведения большие преимущества имеет культура на водных пита­тельных растворах. Так, урожаи огурцов при выращивании на водных растворах были значительно выше и сбор их начинался раньше, чем на гравии.

Большое значение имели питательные смеси, специально разрабо­танные для выращивания огурцов. За основу для их составления были приняты данные опытов Л. И. Афанасьевой (1940) по анализу растений клинских огурцов, выращивавшихся в теплицах на почве.

При выращивании растений в водных культурах потребление пита­тельных элементов в абсолютных цифрах не играет особой роли, по­скольку при сменных растворах растения получают практически неог­раниченное количество питательных элементов. Гораздо важнее соотношения усваиваемых растениями элементов. Потребность растений в них не остается постоянной в течение вегетации, так как в разные периоды роста меняются соотношения между весом листьев, стеблей, корней и плодов; меняется и состав каждого органа.

^ ВОДНЫЕ КУЛЬТУРЫ ДЛЯ ВЫРАЩИВАНИЯ ОВОЩЕЙ

71

В общем урожае основное количество питательных элементов и су­хого вещества падает на плоды, но в начале вегетации больший удель­ный вес в общем урожае растений имеют листья и стебли. По сравне­нию с плодами в листьях содержится больше азота, а в стеблях — калия; плоды характеризуются повышенным содержанием фосфора. Поэтому в начальный период роста растения содержат несколько больше азота н меньше фосфора.

Поскольку различные органы растений огурцов имеют разный со­став, то, изменяя соответствующим образом питание растений, можно создавать условия для лучшего развития того или другого органа. В ряде опытов с огурцами в песчаных культурах (3. И. Журбицкий, 1949) было найдено, что при постоянном соотношении N : Р2О5: K2O в питательном растворе, равном 33:17:50, плодоношение начинается раньше (на 2—4 дня) и образуется самый высокий урожай плодов (1200 г с сосуда) по сравнению с другими соотношениями этих элемен­тов. Во время роста положительное влияние на урожаи оказывает уси­ление азотного и фосфорного питания до начала плодоношения и азот­ного и калийного питания в период плодоношения.

Большое значение имеет также концентрация питательного раство­ра. Установлено, что с увеличением концентрации до оптимальной рас­тения значительно быстрее растут. В опыте с огурцами (3. И. Журбиц­кий, Хуан Вей-нань, 1961) при концентрации питательных солей 1,1 ммол/л сухой вес молодых растений в Зб-дневном возрасте составлял 3,5 г, а при 3,4 ммол/л — 7,3, при 6,9 ммол/л — 8,2 г. Соответственно на четырех растениях к этому моменту было 5, 12 и 9 цветков. Таким обра­зом, в этот период лучшей для развития растений надо признать кон­центрацию в 3,4 ммол/л, но рост растений был лучше при более высо­кой концентрации — 6,9 ммол/л.

С повышением концентрации питательного раствора сильно увели­чивается поглощение питательных элементов, причем с возрастом рас­тений оно усиливается при всех концентрациях, как это показано в сле­дующей таблице.



В наших опытах, проведенных совместно с Л. А. Соколовой, основным соотношением между N, P2O5 и К2О для питательного раствора было принято 34 : 16 : 50. На этом фоне изучались различные варианты изме­нения питания растений по фазам развития в водных культурах в теплице.

Концентрация трех основных питательных элементов в начале раз­вития до бутонизации равнялась 3,4 мэкв на 1 л (в это время в 1 л раствора содержалось 28 мг N), на период от бутонизации до цвете­ния— 5,1 мэкв/л, а цветение проходило при 6,8 мэкв/л. В течение всего

72

^ 3. И. ЖУРБИЦКИЙ



периода плодоношения концентрация раствора поддерживалась на уровне 8,6 мэка/л.

Реакция питательного раствора поддерживалась в пределах рН = 5,5—6,0. Раствор готовился на водопроводной воде с рН = 7,2—7,4. Для ее подкисления применялась азотная кислота, с которой вносилось значительное количество азота. Недостающее до расчетного количество азота вносилось в форме NH4N03; фосфор давался в виде обычного суперфосфата, а калий — в виде хлористого калия. Дозы этих удобре­ний менялись во время вегетации (см. табл. 3).

На бак площадью в 2 м2, вмещающий 400 л воды (в последующем, при развившейся корневой системе, количество воды уменьшалось до 200 л), высаживалось по 24 растения (огурцы сорта клинский много­плодный). Растения крепились в отверстиях крышек бака с помощью ватных тампонов, а позже подвязывались к натянутым вертикально шнурам. К периоду полного цветения производилось прореживание и оставлялось по 12 лучших растений на бак (рис. 1).

Питательный раствор в течение 6 часов ежедневно продувался воз­духом для обеспечения кислородом корневой системы, которая в этих условиях отлично развивалась (рис. 2).

Температура воздуха поддерживалась на уровне 20—25°, но весной в солнечные дни доходила в отдельные периоды до 35°.

Семена, высеянные в песок, взошли 22 февраля и были высажены на бак 21 марта. Цветение началось 15 апреля, сбор плодов проводил­ся с 28 апреля по 12 июля1.

1 Опыты с огурцами проводились в 1960 г. В 1961 г. были предприняты опыты с томатами. Однако по ряду причин растения были высажены поздно, и полученные результаты нельзя считать характерными. В этом году опыты с томатами будут повторены.

^ ВОДНЫЕ КУЛЬТУРЫ ДЛЯ ВЫРАЩИВАНИЯ ОВОЩЕЙ

73



Основное внимание было уделено усилению азотного и фосфорного питания растений в первый период их роста до начала плодоношения, поскольку в опытах предыдущих лет такие варианты давали лучшие результаты. Самые высокие урожаи плодов, однако, были получены при постоянном составе питательного раствора.

С учетом изменений в составе питательных элементов, усваиваемых растениями, питательный раствор должен содержать эти элементы в количествах, приведенных в табл. 3.



Кроме указанных в табл. 3 удобрений, в каждый раствор обязатель­но вносятся дополнительно кальций, магний, микроэлементы. Дозы каль­ция и магния зависят от состава воды, используемой для приготовления растворов. Дозы микроэлементов должны быть следующие: борная кис­лота— 0,3 мг/л, сернокислый марганец — 0.5. сернокислый цинк —0,1,

74

^ 3. И. ЖУРБИЦКИЙ

молибденовокислый аммоний — 0,02 и лимоннокислое или сернокислое железо — 1 мг/л.

В теплицах, где растения выращиваются без почвы, необходимо обеспечивать повышенное содержание углекислоты в воздухе, что до­стигается размещением в разных местах кусочков сухого льда (твер­дой углекислоты) или подачей газообразной углекислоты из баллона.

Урожаи огурцов в 27,5—32,4 кг плодов с 1 м2 полезной площади при культуре на водных растворах значительно превосходят обычные уро-



жаи, получаемые в стеллажных теплицах (около 12—16 кг/ж2), и обхо­дятся дешевле.

В нашей стране первый опыт промышленного выращивания огурцов в водных культурах намечено провести в этом году в московском сов­хозе «Фабрика овощей», где для данной цели построена специальная теплица.

В принципе описанный способ выращивания овощей незаменим для районов, лишенных хороших почв, например на Крайнем Севере или в горных районах со скалистым грунтом. Однако возможность получения больших урожаев высокого качества при относительно малых затратах труда делает его пригодным для повсеместного распространения и даже для выращивания растений в открытом грунте.

^ ТЕОРИЯ ПЛАСТИЧЕСКОГО ФОРМОИЗМЕНЕНИЯ МЕТАЛЛОВ

Профессор А. Д. ТОМЛЕНОВ

Процессы обработки металлов, основанные на использовании их пластичности, отличаются высокой производительностью и позволяют создавать детали машин и сооружений малого веса, совершенной фор­мы и повышенной прочности. Непрерывный характер пластического формоизменения открывает широкие возможности для автоматизации таких процессов.

В современной технике выявилась заметная тенденция к умень­шению относительного веса изделий за счет применения более прочных материалов и усовершенствования конструктивных форм. В связи с этим, естественно, повысилось внимание к изучению и развитию мето­дов пластического формоизменения, применяемых в процессах обработ­ки металлов давлением. При этих процессах происходят сложные явле­ния, ясное понимание которых становится возможным благодаря развитию теории пластичности, позволяющей рассчитывать напряжения, силы, скорости и деформации. Знание этих величин необходимо для расчетов процессов пластического формоизменения, инструментов и машин, посредством которых эти процессы осуществляются.

Решение задачи теории пластичности в общей постановке наталки­вается на математические затруднения. Однако при рассмотрении реальных процессов обработки металлов давлением некоторые пара­метры, определяющие решение, могут без значительного ущерба для его точности считаться постоянными или выражаться в функциях остальных параметров. Так, во многих реальных процессах отдельные параметры совпадают по величине вследствие наличия осевой симмет­рии. В других реальных процессах можно пренебречь величинами компонент напряжений или деформаций в одном из главных направ­лений. Таким образом, в большинстве случаев решение пространствен­ной задачи процесса пластического формоизменения удается свести к решению соответствующей осесимметричной или плоской задачи плас­тичности. Например, при волочении проволоки, определении твердости металлов методом вдавливания закаленного шарика, распределение напряжений и деформаций во всех меридиональных плоскостях одина­ково и, следовательно, не зависит от угловой координаты. Исследова­ние процессов такого типа приводит к решению осесимметричных задач теории пластичности.

При прокатке листовой стали деформации по ширине листа малы по сравнению с деформациями по длине и толщине. Использование процессов такого типа приводит к решению задачи о плоском дефор­мированном состоянии. В процессе штамповки листовой стали усилия от инструмента распределяются по поверхности заготовки, причем ком­поненты напряжений, нормальные к поверхности листа, малы по срав­нению с пределом текучести металла. Внутри листа возникают напря­жения порядка предела текучести. Это позволяет свести изучение про­цессов листовой штамповки к исследованию плоского напряженного состояния. Рассматривая задачи о распределении напряженного состоя­ния в различных сечениях деформируемого тела как плоские, мы полу-

76

^ А. Д. ТОМЛЕНОВ

чаем приближенное решение пространственной задачи пластического формоизменения.

В процессе пластического течения свойства металла непрерывно изменяются, в частности, имеет место упрочнение. Однако в процессах деформирования при высоких температурах не происходит значитель­ного упрочнения металлов. Это дает основание применять для изучения процессов деформирования горячего металла теории, основанные на гипотезе идеальной пластичности. Известно, что интенсивность упроч­нения металлов убывает по мере нарастания деформации. Отсюда воз­никает возможность расчета процессов обработки давлением холодного металла (в случае достаточно развитой пластичности деформации) на основе предпосылки идеальной пластичности или пластического течения без упрочнения. В качестве параметра принимается предел текучести упрочненного металла.

В последние годы в машиностроении успешно внедряется горячая поперечно-винтовая прокатка. Этот вид обработки металлов давлением характеризуется непрерывностью, благодаря чему становится возмож­ным добиться производительности, в несколько раз превышающей производительность при горячей объемной штамповке. Новые резуль­таты, полученные в этом направлении под руководством члена-кор­респондента АН СССР А. И. Целикова, создали предпосылки для раз­работки еще более производительных процессов. Эти исследования показали, что при выполнении определенных условий пластическое формоизменение на станах поперечно-винтовой прокатки может осу­ществляться без нагрева металла. Быстрое развитие процессов обра ботки металлов давлением и их большое народнохозяйственное значе­ние ставят перед наукой ряд важных теоретических задач, которые должны быть решены в ближайшее время.

В области холодной листовой штамповки, более широкое применение которой в ближайшие годы несомненно позволит получить огромную экономию металла и трудовых затрат в машиностроении, такими зада­чами являются исследование процессов штамповки деталей сложной формы, пластичности листового металла в условиях сложного напря­женного состояния с учетом упрочнения металла и его анизотропии. Большое значение имеют исследования деформируемости листовых ме­таллов в условиях повышенных и высоких скоростей деформации. Не менее важные задачи возникают в связи с исследованием процессов холодной 'объемной штамповки и поперечно-винтовой прокатки. При­менение и распространение этих весьма эффективных методов обра­ботки в настоящее время лимитируется главным образом чрезвычайно высокими удельными давлениями, которые появляются в ходе процес­са, и образованием 'трещин в отдельных местах заготовок вследствие особенностей напряженного состояния. Опыт показывает, что ясегае сет-нимание физических явлений, которые происходят при пластическом формоизменении, позволяет находить правильные ""решения и доби­ваться усовершенствования процесса обработки. В частности, найден­ные теоретические решения о напряженном состоянии в процессах по­перечно-винтовой прокатки позволили установить причины образова­ния внутренних трещин и разработать методы, предупреждающие их возникновение.

Важнейшими теоретическими задачами, которые возникают в связи с развитием холодной объемной штамповки, является изучение влияния трения и изыскание эффективных методов управления им. Для решения вопросов рационального построения процессов пластического формо­изменения металлов необходимо разработать эффективные методы по-

^ ТЕОРИЯ ПЛАСТИЧЕСКОГО ФОРМОИЗМЕНЕНИЯ МЕТАЛЛОВ

77

строения полей скоростей течения металлов в сечениях деформируемых заготовок путем интегрирования соответствующих уравнений теории пластичности.

Решение этой важной теоретической задачи позволит заранее пред­усмотреть затруднения, которые могут возникнуть в ходе процессов обработки, в частности вследствие быстрого накопления деформаций сдвига вдоль линий разрыва скоростей течения металла.

В настоящее время создаются опытные установки по производству стальных профилей методом горячего прессования. Дальнейшее разви­тие этого весьма перспективного процесса требует решения задач об определении напряженного состояния и скоростей течения в неодно­родном температурном поле при различных условиях трения. Анало­гичные задачи возникают и в связи с прессованием сложных изделий из цветных металлов и сплавов.

Решение поставленных задач позволит составить более ясное пред­ставление о сложных процессах пластического формоизменения и опре­делить пути дальнейшего прогресса в этой области.

Чрезвычайно важной задачей является автоматизация процессов обработки металлов давлением. Опыт работы научной школы, возглав­ляемой А. И. Целиковым, показал, что наиболее эффективным мето­дом автоматизации является замена устаревших дискретных процес­сов новыми непрерывными процессами обработки металлов давлением. В настоящее время предложены новые непрерывные и эффективные процессы и созданы соответствующие машины для массового произ­водства различных деталей машин методами непрерывного пластиче­ского формоизменения. Эти методы сейчас применяются при произ­водстве колец, шаров, втулок, винтов, цилиндрических и конических шестерен и других важных для народного хозяйства изделий.

Теоретическое и экспериментальное исследование новых непрерыв­ных процессов, их научное обоснование являются важными предпо­сылками для дальнейшего развития соответствующих производств.




^ ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ДЛЯ РАСЧЕТА СЕТЕЙ ТРУБОПРОВОДОВ

79

чем в 100 раз. Необходима также возможность изменять коэффициент сопротивления г не менее чем в 1000 раз. Характеристики этих сопротив­лений не должны зависеть от температуры и времени. Обычно показатель степени п в формуле (5) принимается равным 2, однако в некоторых слу­чаях он должен иметь другое, вполне определенное значение.











В ходе исследований, проведенных в Институте горного дела, была изучена возможность применения в качестве сопротивлений ламп накаливания, управляемых следящими системами реостатов, электронных схем на ваку­умных триодах и пентодах, полупроводниковых триодов и др. Все эти сопротивления оказались мало пригодными. Более подходящими были схемы линейно-кусочной аппроксимации, впервые предложенные С. А. Гинзбургом. Однако вследствие того, что его схемы работают на переменном токе, они неудобны для электро­моделирования.

Принципиальная схема электрической мо­дели гидравлического сопротивления, разра­ботанная в Институте, показана на рис. 1. Входной выпрямитель ВВ обеспечивает необ­ходимое направление тока в схеме независимо от полярности напряжения на входных зажи­мах; сопротивления R2, R4 и R6 служат для установки требуемого значения коэффициента сопротивления r схемы, они имеют указатели и шкалы, проградуированные непосредственно в единицах аэродинамического сопротивления; выпрямители ВП1 и ВП2 обеспечивают получе­ние изломов характеристики. Схема получает питание от вторичной обмотки трансформатора Тр, через выпрямители Вх и В2; делитель на­пряжения — сопротивление R7 и R8 — обеспечи­вает подведение к схеме необходимых напряжений; конденсатор С служит для сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения. Из предложенных пяти типов электрических моделей аэродинамических сопротивлений два работают при напряжениях на входе от 1 до 9 в и три типа — при напряжениях от 8 до 90 в. Электрические данные схемы приведены в таблице. Все выпрямители собраны на германиевых дио­дах типа ДГЦ-21—ДГЦ-27 или Д7А—Д7Ж.

80

^ А. Д. БАГРИНОВСКИЙ

На рис. 2 сплошной линией нанесена вольтамперная характеристи­ка, пунктирными линиями отмечены границы допустимого отклонения характеристики от, точного значения.

На рис. 3 показана принципиальная схема источника тока, который служит для моделирования рабочих участков напорных характеристик



шахтных вентиляторов. Трансформатор ЛАТР-2 с плавной регулиров­кой вторичного напряжения служит для изменения электродвижущей силы (э. д. с.) специального трансформатора Тр, со вторичных обмоток которого необходимое напряжение подается на выпрямители Bi и В2. Выпрямитель ВП используется для получения излома характеристики. Без этого выпрямителя напряжение источника тока при решении неко-



торых задач было бы недопустимо большим. Вольтамперная характе­ристика этого источника тока состоит из двух участков, одного парал­лельного оси токов и второго — наклонного к этой оси. Второй участок является рабочим, он служит для воспроизведения напорных характе­ристик вентиляторов или насосов. Реостат, собранный из сопротивле­ний ^i — R\q, осуществляет изменение угла наклона рабочего участка характеристики. Когда источник тока развивает максимальную э. д, с,

^ ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ДЛЯ РАСЧЕТА СЕТЕЙ ТРУБОПРОВОДОВ




его сила тока мало зависит от напряжения на выходных зажимах, поэтому в таком режиме он может работать как стабилизатор тока, и с его помощью можно уста­навливать необходимые по­стоянные значения силы тока в ветвях, что бывает нужно при решении некоторых за­дач. При . полностью выве­денном реостате R1 — R1o ис­точник тока работает в ус­тановке на горизонтальном участке характеристики; в этом режиме его можно ис­пользовать для установки определенного постоянного напряжения.

Общий вид электриче­ской модели показан на рис. 4. Модель состоит из отдельных секций двух ти­пов. В секции ^ А смонтиро­ваны 4 источника тока, мо­делирующих характеристи­ки шахтных вентиляторов, а в секции Б — 16 сопротивле­ний, моделирующих аэроди­намические сопротивления. Каркасы секций изготовле­ны из дюралюминиевых угол­ков, лицевые панели, боко­вые стенки, дно и крышки — из листового дюралюминия. Тумблеры 1 служат для включения секций сопротив­лений источников тока, ру­коятки 2 — для регулировки э. д. с. источников тока. В нижней части каждой сек­ции на эбонитовой панели 3 размещены входные гнезда источников тока и сопротив­лений, с помощью которых, пользуясь проводниками 7, можно соединять между со­бой элементы модели в, раз­личных комбинациях. С по­мощью ручек 4 устанавли­ваются требующиеся коэф­фициенты сопротивления. Для измерения силы тока в элементах модели служит многопредельный миллиам­перметр 5, шкала которого проградуирована непосред­ственно в единицах расхода.

6 Вестник АН СССР, Хг 5

82

^ А. Д. БАГРИНОВСКИЙ

Падение напряжения в различных элементах измеряется многопре­дельным катодным вольтметром 6. Питание установки осуществляется от сети переменного тока через феррорезонансные стабилизаторы на­пряжения.

Описанная установка успешно применяется для исследования раз­личных вентиляционных схем, встречающихся в шахтах, а также для расчетов вентиляционных схем шахт по заданиям проектных органи­заций.

Четырехлетняя эксплуатация установки показала ее высокую на­дежность и эффективность, особенно при расчете многих вариантов схем с большим числом ветвей. В этих случаях достигается весь­ма значительный выигрыш во времени (до 20 раз и более), причем воз­можно решение задач, практически не поддающихся расчету аналити­ческими методами.

Испытание этой установки показало ее пригодность для расчета водопроводных сетей. В настоящее время на конотопском электромеха­ническом заводе «Красный металлист» подготавливается выпуск более совершенной модели типа ЭМВС-6, основанной на изложенных выше принципах.

hi

^ МЕХАНИЧЕСКИЙ УСИЛИТЕЛЬ МОЩНОСТИ

А. Е. КОБРИНСКИЙ, А. И. КОРЕНДЯСЕВ, Е. И. ЛЕВКОВСКИЙ

Под усилителем мощности обычно понимается устройство, повышаю­щее мощность управляющего сигнала до уровня, достаточного для нор­мальной работы исполнительных механизмов той или иной системы управления. В практике широко используются пневматические, гидрав­лические, электронные и электрические усилители, надежные в эксплуа­тации и обеспечивающие высокий коэффициент усиления.



Однако применение таких усилителей в механических цепях управ­ления связано с существенными неудобствами, поскольку в этом случае входным и выходным сигналами усилителя должны являться механи­ческие перемещения. Отсюда возни­кает необходимость в дополнительном двукратном преобразовании мощно­сти—на входе и выходе усилителя, поскольку сигнал и процесс, за счет ко­торого достигается его усиление, име­ют различную физическую природу.

Другое существенное неудобство применения немеханических усилите­лей в механических цепях управления связано с нарушением жесткой кине­матической связи между их входны­ми и выходными звеньями. Это ведет к появлению динамических ошибок и усложнению системы, поскольку возникает необходимость введения дополнительных цепей обратной связи.

Существующие конструкции механических усилителей мощности фрикционного действия не получили широкого применения из-за их сложности и несовершенных динамических качеств.

В настоящее время разработан новый механический усилитель мощ­ности, основанный на использовании эффекта самоторможения, свой­ственного некоторым механическим передачам '.

Принцип действия этого усилителя можно наглядно проиллюстри­ровать на примере обычной самотормозящей червячной передачи (рис. 1). Пусть к валу червячного колеса приложен вращающий момент, развиваемый некоторым нерегулируемым источником мощности, а с червяком, представляющим управляющее звено, жестко связан ротор регулируемого серводвигателя, задающего входной сигнал. Так как пе­редача— самотормозящая, то при неподвижном серводвигателе вал колеса будет оставаться неподвижным независимо от величины вра­щающего момента. Если же ротор серводвигателя, реализуя управляю­щий сигнал, начнет вращаться, то червяк растормозит сцепленное с ним колесо и оно в свою очередь начнет поворачиваться. Нетрудно заме-

Авторские свидетельства № 132702 от 2 октября 1959 г. и № 136143 от 8 июля

I960 г.

6*

84

^ А. Е. КОБРИНСКИЙ, А. И. КОРЕНДЯСЕВ, Е. И. ЛЕВКОВСКИЙ

тить, что включенная таким образом червячная передача работает по схеме усилителя мощности.

Серводвигатель осуществляет чисто вентильные функции, либо про­пуская поток мощности от источника к потребителю, либо отсекая этот поток в соответствии с управляющим сигналом. Постоянная кинемати­ческая связь между входным и выходным валами обеспечивает точную отработку системой угловых перемещений, задаваемых 'серводвигате­лем. Усилитель не требует для своей работы цепи обратной связи и от­личается предельной простотой.

Следует отметить, что для механизмов такого типа величина коэф­фициента усиления мощности, под которым обычно понимается отно-








^ МЕХАНИЧЕСКИЙ УСИЛИТЕЛЬ МОЩНОСТИ

85

в качестве самотормозящих элементов могут быть взяты винтовые пары, зубчатые механизмы и др. В качестве нерегулируемых источни­ков мощности в таких усилителях можно использовать гидро-, пневмо-или электропривод и др.

Усилитель самотормозящего типа ©первые был разработан приме­нительно к шаговым системам цифрового управления станками.

Основным элементом такой системы является шаговый двигатель — генератор элементарных шаговых перемещений. Шаговый принцип реализации 'командных сигналов развивает идею дискретной реализа­ции программы, заданной в форме совокупности дискретных сигналов. Механический усилитель мощности доводит реализацию этой идеи до логического конца, позволяя в разомкнутой шаговой системе использо­вать в качестве управляющего элемента маломощный шаговый серво­двигатель.

Применение такого усилителя в системах шагового привода позво­ляет целесообразно использовать его демпфирующие свойства. Дело в том, что на некоторых режимах работы шагового серводвигателя мо­жет возникать явление «сбоя», аналогичное явление резонанса в обыч­ных колебательных системах, что отрицательно сказывается на точности и динамических качествах шагового привода. Механический усилитель устраняет этот недостаток; благодаря воздействию момента от внешнего источника мощности ротор шагового двигателя оказывается «запертым» в одном направлении, что препятствует развитию колебаний.

Первые опыты, проведенные на макете механического усилителя мощности, дали вполне удовлетворительный результат. В эксперимен­тальной установке в качестве серводвигателя был использован мало­мощный шаговый двигатель, источником мощности служила потен­циальная энергия поднятого груза. Регистрировались момент на валу шагового серводвигателя и момент на выходе усилителя. Осциллограм­ма для одной из серий опытов, проведенных на установке, показана на рис. 2.

Осциллограмма снималась для частоты переключения обмоток серводвигателя, равной 35 гц. Сопоставление записанных кривых позво­ляет оценить работу самотормозящей передачи в режиме усилителя. Как показывает анализ, каждому единичному повороту — шагу ротора двигателя — соответствует точно по времени поворот выходного вала усилителя, что иллюстрируется одновременным изменением кривых момента на валу шагового двигателя и на выходе усилителя. Это озна­чает, что жесткая кинематическая связь между входным и выходным валом усилителя позволяет сохранять относительную фазу входного и выходного сигналов, обеспечивая высокую точность работы устройства.

Точность отработки управляющего сигнала, достаточно высокий коэффициент усиления, свойство демпфировать колебания — таковы преимущества, дающие основание для создания на базе описанного усилителя новых систем автоматизированного привода.

Похожие:




©fs.nashaucheba.ru НашаУчеба.РУ
При копировании материала укажите ссылку.
свазаться с администрацией