Визначення еластичності гум за відскоку

2.  Визначення еластичності гум за відскоку

 

Еластичністю називається здатність гум повертати частину енергії, що одержана ними за удару, поштовхів та інших короткочасних навантаженнях. Втрати енергії при цьому пов’язані з характерним для гум явищем гістерезису.

Механічна енергія, що витрачена на деформацію, частково повертається при розвантаженні зразка завдяки оборотності деформації. Втрата пружної енергії, що повертається, порівняно з витраченою механічною, пояснюється незворотним розсіюванням її в вигляді теплової енергії через процеси внутрішнього тертя в матеріалі, тобто гістерезису. За повторних деформації втрати енергії зменшуються і стають практично постійними, тому що структурні зміни, які відбуваються в гумі з однозначних повторних деформації стабілізуються. Якщо один цикл навантаження – розвантаження проводити дуже повільно, щоб вспівала проходити релаксація, обидві криві зливаються, гістерезису не відбувається, і повернена енергія буде дорівнювати витраченій. На практиці цикли деформації проводяться значно швидше, і гістерезису є невідворотним.

За однакових умов та методу випробувань показник пружно-гістерезисних властивостей залежить тільки від структури та складу гуми. Визначаючи гістерезис, можна порівнювати експлуатаційні характеристики гум, а також здійснювати контроль якості гуми.

Пружно-гістерезисні властивості гуми можна визначати на розривній машині шляхом розтягу зразка до певної деформації та наступного його розвантаження при оборотному ході нижнього затискача.

Витрачена енергія пропорційна площі фігури ОАС (рис. 3), а корисна – АВС. Площа гістерезисної петлі ОАВ пропорційна гістерезисним втратам. Еластичність гуми, або її пружно-гістерезисні властивості, характеризується показником корисної пружності – відношенням поверненої (корисної) енергії до витраченої.

Рис. 3. Схема визначення пружності гум з допомогою маятника

Звичайно еластичність гум визначається на приладах, які називаються пружномірами (рис. 4).

Сутність випробування полягає в визначенні величини відскоку бійка маятника приладу, що падає з певної висоти на зразок, що випробується.

Рис. 4. Пружномір УПМ

1 – клямка; 2 – шкали; 3 – маятник; 4 – вантаж; 5 – пружина;

7 – зразок; 8 – станина; 10 – рівень; 11 – кронштейн; 12 – стрілка;

13 – обмежувач; 14 – захват; 15 – ручка.

Енергія W₁, яка витрачена на деформацію зразка, дорівнює потенціальній енергії маятника, який піднято на висоту h₁:

,

де m – маса маятника;

g – прискорення сили тяжіння;

h₁ – висота падіння.

Енергія, яка повертається зразком, дорівнює:

,

де h₂ – висота відскоку маятника.

Еластичність, або корисна пружність, є відношенням поверненої енергії до витраченої:

Е = , %,

де α₁ – кут падіння маятника;

α₂ – кут відскоку маятника.

За випробування зразків за підвищеної або зниженої температури пружномір встановлюють в термокріокамеру. Показник еластичності тим вищий, чим вища температура випробування.

В пружномірах маятник закріплюється з допомогою спеціального пристрою в двох положеннях: під кутом 90 та 60 º до вертикалі. Відповідно до цього прилад упорядкований двома шкалами, які відградуйовані в одиницях еластичності.

Зразками для випробування є циліндричні диски або прямокутні паралелепіпеди товщиною 5±0,25 мм та діаметром або стороною не менше 40 мм. Поверхня зразків після вулканізації повинна бути гладенькою, без дефектів, що видно оком, побічних включень та забруднень. Для випробування беруть не менше 2 зразків. Їх витримують після вулканізації не менше 6 годин та кондиціонують не менше 1 години за 23±2 ºС.

Для кожного зразка проводять визначення еластичності не менше як у трьох точках, розраховують середнє арифметичне для трьох замірів, а потім середнє арифметичне для двох зразків. Допустиме відхилення складає не більше ±5 %. Результати порівнюють з нормами, які наведено в технічних умовах на кожну гуму.

3.  Випробування гум на стирання

В процесі експлуатації рід гумових виробів (шин, конвеєрних стрічок, пасів, взуття та ін.) піддається тертю, внаслідок чого відбувається руйнування поверхневих шарів за ковзання гуми по іншому матеріалу. Це веде до зношення гумових виробів та виходу їх з ладу, тому зносостійкість гум має велике значення за визначення їх якості.

Стирання гум – це процес механічного відриву її частинок під впливом місцевих напружень, які виникають на виступах поверхні, що стирає, в процесі ковзання гуми.

Знос (стирання) характеризується втратою маси або об’єму, яка віднесена до витраченого на тертя часу (інтенсивність) або до витраченої роботи (питоме стирання). Стирання гум є складним процесом, який супроводжується механічними та фізико-хімічними явищами. Через знос знижується міцність гум, їх опір роздеру, змінюється модуль пружності. Можливі три механізми зносу: абразивний, втомний та фрикційний (скатування). В звичайних умовах переважає втомний знос, який є найбільш інтенсивним. На інтенсивність зносу впливає ряд зовнішніх факторів: температура, тиск, швидкість ковзання, відносне про ковзання, потужність тертя, навколишнє середовище (повітря, кисень, агресивні речовини), а також вологість повітря.

Стирання гум може відбуватись в двох режимах: ковзання (паси, стрічки) та котіння, яке характерно для шини. Відповідно до призначення гуми ці режими використовують для випробування їх на стирання (рис. 5).

Вірний вибір випробування має велике значення для одержання характеристик зносостійкості, які відповідають даним експлуатації виробів. Експлуатаційні випробування займають багато часу, тому умови лабораторних випробувань, які проводяться протягом 15-20 хвилин, роблять більш жорсткими. Для цього збільшують нормальний тиск або швидкість ковзання або котіння. Випробування в режимі ковзання ведуть на спеціальній машині для тертя – випробувальній машині МИ-2.

Рис. 5. Методи стирання гум

а – 100 % проковзання; б, в – контролюєте ковзання ;

в – бічний вид гумового кільця;

1 – гума; 2 – абразив; Х та У – відповідно напрямок руху абразиву та зразка; F - притискуюче зусилля.

Сутність методу полягає в стиранні зразків, які притиснуто до абразивної поверхні, яка обертається з постійною швидкістю диска за постійної нормальної сили. Зносостійкість можна визначити за формулою:

,

де l – шлях, який проходить зразок за стирання;

a та n – емпіричні константи.

Зразки для випробування виготовляють методом формування та мають певну конфігурацію і розміри (рис. 6).

Рис. 6. Зразок для випробування гуми на стирання за ковзання

Випробують не менше 6 зразків (3 пари) за температури 23±2 ºС не раніше 16 годин та не пізніше 30 діб після вулканізації. Зразки спочатку притирають не менше 15 хвилин. Притерті зразки очищують від пилу щіткою, знімають з їх країв часточки гуми та зважують з похибкою не більше 0,001 г. Зважені зразки закріплюють і стирають за постійної сили , яка врівноважує важіль машини. Після 200 обертів диска, що контролюється за приладом, мотор автоматично відключається. Зразки очищують та зважують. Втрата маси по винна бути не менше 0,5 г, інакше тривалість випробування збільшують. Для розрахунків треба знати густину даної гуми, яку треба визначити попередньо.

Убуток об’єму розраховують за формулою:

, мм³,

де m₁ та m₂ – маси двох зразків до та після випробування, кг;

ρ – густина гуми, кг/м³.

Розраховують роботу тертя за формулою:

,

де F – середнє значення сили тертя за час випробування, Н;

l – шлях тертя, який дорівнює:

,

де U – швидкість ковзання по центру зразків, м’с;

t – тривалість випробування;

d – відстань між центрами зразків, м;

n – кількість обертів диска за час випробування.

Стійкість до стирання оцінюється трьома показниками:

1) стираємістю;

2) опором стиранню;

3) питомим стиранням.

Стираємість α характеризує зменшення об’єму двох зразків, яка відповідає одиниці роботи:

, м³/ТДж,

де ΔV – зменшення об’єму двох зразків;

А – робота тертя , яка витрачена на стирання двох зразків;

К – коефіцієнт, що враховує стиральну здатність абразиву.

Опір стиранню β визначає роботу в Дж, яка витрачена на стирання 1 мм³ гуми з поверхні в 1м²:

, Дж/м²

 

Питоме стирання І_пит характеризує зменшення об’єму гуми в м³ з поверхні 1м² за стирання на шляху довжиною 1 км:

Розраховують середньоарифметичне для менше 3 пар придатних зразків та порівнюють результат з нормами для даної гуми.

 

Література

 

1.  Берштейн Л.А. Лабораторный практикум по технологии резины. - Л.: Химия, 1989. - с. 120-134.

2.  Захаров Н.Д. Лабораторный практикум по технологии резины. – М.: Химия, 1988. с. 28-30, 69-72..