Фазовий спосіб визначення навантаження, відповідного умовній границі міцності деревини

Корисна модель відноситься до деревинознавства та може бути використана для дослідження фізикомеханічних властивостей деревини. При стисканні впоперек волокон в радіальному і тангенцільному напрямках деревина по-різному чинить опір і деформується таким чином, що не можна визначити максимального значення зовнішнього навантаження [1]. Враховуючи цю особливість згідно [2], [3], СТ СЭВ 389-16 та DIN 52192 визначають умовну границю міцності, що відповідає границі пропорційності між навантаженням і деформацією. Для проведення даного виду випробувань у спеціальний пристрій вмонтовано індикатор для виміру деформації [2], [3]. На взірець діють ступінчастим навантаженням і визначають на кожному ступені деформацію взірця з точністю до 0,01мм. Навантаження здійснюють за допомогою автоматичного приводу плавно, без ривків для більш точного вимірювання деформації. Данні реєструють, а потім будують графік залежності "навантаженнядеформація", що дає змогу встановити границю пропорційності. Ординату точки, в якій тангенс кута між дотичною до графіка і віссю навантаження на 50% більший, ніж на лінійній ділянці графіка, приймають за умовну границю міцності. Недоліком відомого способу є трудомісткість і неточність графічних побудов, затримка в часі проведення вимірювання і отримання остаточного результату. Для виправлення вказаних недоліків пропонується виконувати випробування при одночасному прозвучуванні взірця (ультра) звуковими коливаннями. Як відомо, швидкість розповсюдження поздовжніх коливань в твердих тілах становить [4]: E(1 - s ) (1); r(1+ s )(1 - 2s ) де: с - швидкість звуку; Е - модуль Юнга; σ - коефіцієнт Пуасона; ρ - щільність тіла; k - коефіцієнт пропорційності. За стандартами ГОСТ 16483.11-72 та ГОСТ 16483.2-70 критерієм досягнення при випробуваннях умовної границі міцності є збільшення тангенсу кута між дотичною до графіка "навантаження-деформація" і віссю навантаження на 50 % відносно лінійної ділянки: e 1 tg j = = (2) P E де: tgφ - тангенс кута між дотичною до графіка і віссю навантаження; ε - деформація; Р - сила навантаження; Е - модуль Юнга. За умови досягнення умовної границі міцності міняється пружність матеріалу, і відповідно до (1), затримка сигналу: c= t1 = t 0 * E0 = t0 * E1 tg j1 100% + 50 % = t0 * » t 0 * 1,2247 ; (3) tg j0 100 % де: t1 - затримка звуку в матеріалі за умови досягнення умовної границі міцності; t0 - затримка звуку в матеріалі на лінійній ділянці графіка "навантаження-деформація"; Е0 - коефіцієнт пружності матеріалу на лінійній ділянці графіка "навантаження-деформація"; Е1 - коефіцієнт пружності матеріалу за умови досягнення умовної границі міцності; tgφ1 - тангенс кута між дотичною до графіка "навантаження-деформація" і віссю навантаження за умови досягненні умовної границі міцності; tgφ0 - тангенс кута між дотичною до графіка "навантаження-деформація" і віссю навантаження на лінійній ділянці. Відповідно до (3) зсув фази сигналу, що пройшов через взірець, за умови досягнення умовної границі міцності зміниться на величину: Δφ=(t1-t0)*ω=t0*(1,2247-1)*ω=0,2247*t0*ω=0,2247*φ0; (4) де: Δφ - зміна зсуву фази коливань, що пройшли через взірець за умови досягнення умовної границі міцності; t1 - затримка звуку в матеріалі за умови досягнення умовної границі міцності; t0 - затримка звуку в матеріалі на лінійній ділянці графіка "навантаження-деформація"; ω - частота коливань; φ0 - зсув фази коливань в матеріалі на лінійній ділянці графіка "навантаження-деформація". Як видно з (4), зсув фази звуку в матеріалі за умови досягненні умовної границі міцності збільшується на величину, яка залежить від часу проходження коливань через взірець та частоти сигналу. Вибором частоти можна регулювати значення зміни зсуву фази відповідного досягненню умовної границі міцності. Для прикладу візьмемо липу зі швидкістю звуку впоперек волокон 680м/с [1], для стандартних розмірів взірця, що становлять 0,02м [2.3], час проходження коливань t0=0,02/680с=0,0000294117с. Щоб отримати зміну зсуву фази на 45 градусів (π/4 радіана) за умови досягненні умовної границі міцності потрібно прозвучувати взірець на частоті (Гц): Dj p w= = = 118841, (5) 0,2247 * t 0 4 * 0,2247 * 0,0000294117 де: Δφ - зміна зсуву фази коливань, що пройшли через взірець за умови досягнення умовної границі міцності; t0 - затримка звуку в матеріалі на лінійній ділянці графіка "навантаження-деформація"; ω - частота коливань. Якщо вимірювання проводити на частоті 237682Гц, то на умовній границі міцності буде отримано зміну зсуву фази коливань рівну 90 градусів, а на частоті 475364Гц - 180 градусів. Останній варіант є випадком протифазності коливань на лінійній ділянці графіка "навантаження-деформація" і за умови досягнення умовної границі міцності. Така різниця фаз є найкращою для ідентифікації і може бути виконана за допомогою не тільки спеціалізованого вимірювального приладу але і значно простішими пристроями. За критерієм зміни зсуву фаз можна визначити навантаження відповідного умовній границі міцності з великою точністю безпосередньо під час проведення випробування без побудови графіка, знаходження дотичної та вимірювання деформацій. Дослідження може проходити скоріше, з меншим впливом пластичної деформації на результати випробування. На Фіг. показано схему можливої реалізації способу. Пристрій навантаження 1 передає зусилля на взірець 2 через п'єзокерамічний випромінювач (ультра) звукових коливань 3, що збуджується генератором 4. На протилежному кінці взірця встановлено приймач коливань 5. Зсув фаз коливань, що пройшли через взірець вимірюється фазометром 6. У запропонованій моделі визначення навантаження, відповідного поперечній умовній міцності, здійснюють за показами зсуву фаз коливань, що пройшли через взірець, а для вимірювання значення цього навантаження використовують відомий за [2] та [3], пристрій "спеціально" обладнаний засобами вимірювання сили. Джерела інформації: 1. Деревинознавство, Вінтонів І.С., Сопушинський І.М., Тайшінґер А., РВВ УкрДЛТУ, Львів, 2005; 2. ГОСТ 16483.11-72; 3. ГОСТ 16483.2-70; 4. Ультразвук, глав. ред. В.П. Голямина, М Советская энциклопедия. 1979. a