Спосіб прогнозування довговічності виробів із деревини та деревних композиційних матеріалів

Реферат: Спосіб прогнозування довговічності виробів із деревини та деревних композиційних матеріалів полягає у випробуванні їх на міцність до руйнування під час постійної швидкості навантаження, наприклад, на жорсткій розривній машині. Випробування виконують при чотирьох фіксованих значеннях температури та постійній швидкості підвищення навантаження, при цьому фіксують час до руйнування кожного зразка, довговічність визначають за формулою. При цьому значення термоактиваційних параметрів m, U0, Tm,  визначають на підставі результатів проведених випробувань шляхом вирішення системи рівнянь. UA 100484 U (12) UA 100484 U UA 100484 U 5 10 15 20 25 Корисна модель належить до області деревознавства і деревообробки та може бути використана під час прогнозування довговічності виробів із деревини та деревних матеріалів корпусних меблів. Відомий спосіб випробувань корпусних меблів на міцність та деформативність (ГОСТ 1988291) полягає в тому, що до бічних стінок корпусу виробу поперемінно зліва та справа прикладають однократне навантаження. Через одну хвилину після зняття навантаження вимірюють зсув верхнього щита відносно нижнього (деформацію E1 ). Потім навантажують бічні стінки корпусу виробу циклічним навантаженням до нормативної кількості циклів згідно з ГОСТ 16371-93. Після досягнення нормативної кількості циклів навантаження знімають та проводять огляд виробу, вимірюючи зсув верхнього щита відносно нижнього (деформацію Eн ) E  Eн  E1 [1]. Проте даний спосіб не дає, по-перше, об'єктивних критеріїв довговічності (тривалої міцності) виробу, а по-друге, об'єктивних критеріїв зламу деталей, послаблення або руйнування кутових конструктивних з'єднань, тобто він не дозволяє прогнозувати довговічність кутових меблевих з'єднань. Відомий так само спосіб визначення жорсткості та міцності кутових роз'ємних з'єднань меблів, що полягає у руйнуванні зразка під дією навантаження, яке прикладається із постійною швидкістю. При цьому придатність кутового з'єднання оцінюють величиною руйнівного навантаження, нормативне значення якого береться на основі експериментальних даних [2]. Відомий так само спосіб випробувань кутових меблевих з'єднань на довговічність, що полягає у навантаженні кутового з'єднання меблів тривалим статичним навантаженням, аж до руйнування, при якому випробуванням піддають чотири зразки меблевих з'єднань при фіксованих значеннях навантаження та температури при кожному випробуванні, причому перше випробування проводять при мінімальній температурі та мінімальному навантаженні, друге при мінімальному навантаженні та максимальній температурі, третє, при максимальному навантаженні та мінімальній температурі, четверте при максимальній температурі та максимальному навантаженні, фіксують час до руйнування кожного зразка, довговічність при цьому визначають за формулою:    U   1     m exp 0 T  Tm1  , R   (1) 30 де m ,U0 ,  і Tm - фізичні (термоактиваційні) параметри матеріалу: m - мінімальна довговічність (період коливання кінетичних одиниць - атомів, груп атомів, сегментів),с; U0 максимальна енергія активації руйнування, кДжмоль;  - структурно-механічний параметр, кДж/(мольМПа); Tm - гранична температура існування твердого тіла (температура деструкції), 35 40 К; R - універсальна газова стала, кДж/(мольК);  - час до руйнування (довговічність), с;  напруження, МПа; T - температура, К, причому, lgm  (lg3 (lg2  lg 4 )  lg 4 (lg1  lg3 )) /(lg2  lg 4  lg1  lg3 ) ; 1000/ Tm  ( x 2 (lg1  lg3  lg2  lg 4 )  ( x1  x 2 )(lg  4  lg3 )) /(lg1  lg3  lg2  lg 4 ) , де: x1  1000/ T1, x 2  1000/ T2 . 1, 2 , 3 ,  4 - час до руйнування кожного зразка, с.   (U1  U2 ) /(1  2 ) ;   U1  2,3R(lg1  lg 2 ) /(T1 1  T2 1) ; 45 50   U2  2,3R(lg3  lg 4 ) /(T3 1  T4 1) ; U0   2  U2 [3]. Однак, оскільки термоактиваційні параметри під час використання даного способу визначаються шляхом випробувань на тривалу міцність при постійному навантаженні, то час проведення випробувань, відповідно трудомісткість способу велика. В основу корисної моделі поставлено задачу удосконалення способу прогнозування довговічності корпусних меблів та виробів із деревини, деревинних матеріалів, з тим, щоб мати можливість на етапі випуску нових виробів знати їх потенційні можливості [4]. При цьому технічний результат полягає у підвищенні достовірності прогнозування довговічності виробів, спрощенні способу та скорочення часу проведення випробувань. 1 UA 100484 U 5 Поставлена технічна задача вирішується тим, що у відомому способі прогнозування довговічності корпусних меблів, що полягає у руйнуванні зразка до якого прикладається постійне навантаження, випробування проводять на однакових зразках при чотирьох фіксованих значеннях температури та постійній швидкості підвищення навантаження, при цьому фіксують час до руйнування кожного зразка, довговічність виробу визначають за формулою:    U   1     m exp 0 T  Tm1  , R   (2) де m ,U0 ,  і Tm - фізичні (термоактиваційні) параметри матеріалу: m - мінімальна довговічність (період коливання кінетичних одиниць - атомів, груп атомі, сегментів), с; U0 10 15 максимальна енергія активації руйнування, кДжмоль;  - структурно-механічний параметр, кДж/(мольМПа); Tm - гранична температура існування твердого тіла (температура деструкції), К; R - універсальна газова стала, кДж/(мольК);  - час до руйнування (довговічність), с;  напруження, МПа; T - температура, К, причому, значення термоактиваційних параметрів m ,U0 , Tm ,  визначають на підставі результатів проведених випробувань шляхом вирішення системи рівнянь: U0  U0  RT  RT 1 m   U 0  U0  RT  2 RTm  U U  0  0  RT3 RTm  U0 U  0   RT4 RTm  1   1 RT1 RTm    2  2 RT2 RTm 3    3 RT3 RT3 4    4 RT4 RTm   ln m  ln t 1  ln  m  ln t 2 (3)  ln  m  ln t 3  ln  m  ln t 4 де T1, T2 , T3 , T4 - температура проведення чотирьох серій випробувань,°К; 1, 2 , 3 ,  4 - максимальне руйнівне напруження при відповідній температурі, МПа; 20 25 30 35 40 45 t1, t 2 , t 3 , t 4 - час до руйнування зразка при відповідній температурі, с. За основу способу прогнозування довговічності прийнята теорія термоактиваційного руйнування твердих тіл, що полягає у досліджені впливу не лише величини та тривалості навантаження, але й температури експлуатації виробів. При цьому використовуються рівняння, що відображають фізичні закономірності. Згідно з кінетичною концепцією міцності, руйнування твердого тіла розглядається не як критична подія, а як поступовий кінетичний, термоактиваційний процес, що розвивається у механічно напруженому тілі у часі із моменту прикладання до нього навантаження, менше критичного. На відміну від механічних уявлень, що враховують лише конкуренцію між прикладеною силою та силами міжатомних зв'язків, кінетична теорія розглядає тепловий рух атомів як вирішальний фактор процесу механічного руйнування. Для руйнування матеріалу необхідний час, протягом якого у навантаженому тілі протікають процеси, що призводять до його розділення на частини. Таким чином, при будь-яких температурах механічне руйнування є таким, що відбувається у часі механотермічним процесом, що реалізовується через елементарні акти розриву міжатомних (хімічних) зв'язків. Час не є вирішальним, він лише збільшує кількість теплових флуктуації, необхідних для реалізації тих процесів розриву зв'язків, які перешкоджають критичній події. Проте ця подія може не наступити, оскільки завдяки тепловому руху розірвані зв'язки рекомбінуються. У механічному полі процес розриву зв'язків прискорюється. При цьому роль навантаження полягає у зменшенні енергії зв'язків (відповідно енергії активації, яка їй пропорційна), зміні відстані між кінетичними одиницями, а також у фіксації їх переміщень, зокрема в утрудненні рекомбінації радикалів. Отже, спрямованість прикладеної сили забезпечує безповоротність процесу внаслідок накопичення цих розривів. Отже, головний руйнуючий фактор це теплові флуктуації, тобто енергія руйнування тіла більшою мірою черпається із запасу теплової енергії, чим із роботи зовнішніх сил. 2 UA 100484 U 5 10 Наприклад, під час проведення випробувань меблевих деталей на чистий згин, спосіб прогнозування довговічності деталей реалізували наступним чином. Випробування проводилися на базі стандартної розривної машини моделі Р-5 за методикою визначення межі міцності та модуля пружності під час згину згідно з ГОСТ 10635-88 "Плиты древесно-стружечные. Методы определения предела прочности и модуля упругости при изгибе". Зразки встановлювалися на опори випробувального пристрою за відмітками так, щоб поздовжня вісь зразка була перпендикулярна осям опор, а поперечна вісь перебувала в одній вертикальній площині з віссю ножа згідно з кресленням. Відміну від стандартної процедури зразки, що випробовувалися разом з опорами та навантажувальним пристроєм розташовувалися у термокамері з можливістю зміни температури. Умови проведення випробувань та середні результати чотирьох серій випробувань, у кожній із яких було випробувано по 10 зразків наведено у таблиці 1. Таблиця 1 Параметри проведення випробувань Умови випробувань № Назва матеріалу 1 1 2 3 4 2 ДСП 10 ДСП 10 ДСП 10 ДСП 10 межа Температура, міцності,  , Т, К МПа 3 4 σ1 10,81 T1 293 σ2 9,77 T2 308 σ3 8,73 Т3 323 σ4 6,02 T4 353 Час до руйнування зразка, ln  , с 5 4,215 4,436 4,456 4,713 Термоактиваційні параметри ДСП виробництва Swisspan , lg m , U0  , кДж/ T К кДж/ С (мольМПа) m моль 6 8 9 10 -4,6 173 9,2 563 15 20 На підставі отриманих під час випробувань даних, за допомогою системи рівнянь (3) були розраховані термоактиваційні параметри ламінованої деревостружкової плити (ДСП) товщиною 10 мм, які наведено у таблиці 1. Використовуючи знайдені термоактиваційні параметри та за допомогою формули (2), розрахуємо довговічність книжкової полиці, яка знаходиться у напруженому стані аналогічно деталям ГОСТу [1], при наступних експлуатаційних параметрах: Т = 293 К;  = 0,5…10 МПа. Результати розрахунків наведено у таблиці 2. Таблиця 2 Результати прогнозування довговічності меблевого виробу, деталь якого має максимальне навантаження на згин , с 8,816Е+09 4,295Е+09 1,02Е+09 242019598 57448713 13636724 3236978,6 768368,58 182389,3 43294,141 10276,823 25 t, рік 279,55645 136,20229 32,33063 7,6743911 1,8216867 0,4324177 0,1026439 0,0243648 0,0057835 0,0013728 0,0003259  , МПа 0,5 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Т, К 293 293 293 293 293 293 293 293 293 293 293 Таким чином, використання корисної моделі дозволяє прогнозувати довговічність деталей із ДСП за конкретних умов їх експлуатації. Результат прогнозу може бути використаний як об'єктивний критерій працездатності під час оптимізації вже існуючих меблевих виробів, так і під час конструюванні нових. 3 UA 100484 U 5 10 Джерела інформації: 1. Мебель корпусная. Методы испытаний на устойчивость, прочность и деформируемость. ГОСТ 19882-91. - М.: издательство стандартов, 1991. - 16 с. 2. Мебель. Методы определения жесткости и прочности угловых разъемных соединений. РТМ 13-319-29-79 - М.: издательство стандартов, 1991. - 48 с. 3. Патент на корисну модель № 46493 Україна, МПК G01D 3/00. Спосіб випробовування довговічності кутових з'єднань корпусних меблів /С.М. Кульман, Л.М. Бойко. - Номер заявки u 2009 06787; заявл. 30.06.2009; опубл. 25.12.2009, Бюл. № 24. 4. Ратнер С.Б. Физическая механика пластмасс. Как прогнозируют работоспособность? / С.Б. Ратнер, В.П. Ярцев. - М.: Химия, 1992. - 320 с. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 15 20 Спосіб прогнозування довговічності виробів із деревини та деревних композиційних матеріалів, що полягає у випробуванні їх на міцність до руйнування під час постійної швидкості навантаження, наприклад, на жорсткій розривній машині, який відрізняється тим, що з метою прискорення випробувань, підвищення їх достовірності та спрощення методу, випробування виконують при чотирьох фіксованих значеннях температури та постійній швидкості підвищення навантаження, при цьому фіксують час до руйнування кожного зразка, довговічність при цьому визначають за формулою:    U   1     m exp 0 T  Tm1  ,  R  де m, U0,  і Tm - термоактиваційні параметри матеріалу: m - мінімальна довговічність (період коливання кінетичних одиниць - атомів, груп атомів, сегментів),с; U0 - максимальна енергія 25 активації руйнування, кДжмоль;  - структурно-механічний параметр, кДж/(мольМПа); Tm гранична температура існування твердого тіла (температура деструкції), К; R - універсальна газова стала, кДж/(мольК);  - час до руйнування (довговічність), с;  - напруження, МПа; T температура, К, причому значення термоактиваційних параметрів m, U0, Tm,  визначають на підставі результатів проведених випробувань шляхом вирішення системи рівнянь: U0 1 1  U0  RT  RT   RT   RT  ln m  ln t1 1 m 1 m   U0  U0   2   2  ln   ln t m 2  RT2 RTm  RT2 RTm , U U    0  0   3   3  ln m  ln t 3 RT3 RTm  RT3 RTm  U0 U0 4      4  ln m  ln t 4   RT4 RTm RT4 RTm  30 де T1, T2, T3, T4 - температура проведення чотирьох серій випробувань,°К; 1, 2, 3, 4 - максимальне руйнівне напруження при відповідній температурі, МПа; t1, t 2, t3, t 4 - час до руйнування зразка при відповідній температурі, с. Комп’ютерна верстка М. Шамоніна Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4