5 начина за определяне на остатъчните напрежения върху екструдирани тръби

Поради лошата топлопроводимост на термопластите, вътрешните напрежения (опън и натиск вътрешни напрежения) се образуват в стените на продукта по време на процесите на охлаждане след екструдиране. Вътрешните напрежения често водят до деформации и изкривяване на продуктите, което прави присъствието на вътрешни напрежения видимо. При пластмасовите тръби се създават аксиални и тангенциални вътрешни напрежения. Следващите съображения се занимават само с тангенциални вътрешни напрежения в пластмасовите тръби.

Образуване на остатъчни напрежения

Термопластичните пластмаси, особено полукристалните, претърпяват големи промени в обема около 20%, когато се охлаждат от стопилката. Пластмасовите тръби обикновено се охлаждат отвън. Външната обвивка на пластмасовата тръба вече е замръзнала при калибрирането и следователно вече не може да извършва свободни деформации. Останалата част от тръбата все още е с почти температура на топене, както показва примерът на следващата фигура.

Това означава, че обемът на горещия материал в стената на тръбата ще продължи да се свива значително, докато външната обвивка вече е замръзнала и следователно твърда. Тенденцията на горещия материал да се свива е възпрепятствана от твърдата външна обвивка, което води до вътрешни опънни напрежения в стената на тръбата. Равновесието на силите се поддържа чрез едновременно натрупване на вътрешни компресионни напрежения във външния слой. Вътрешните напрежения първоначално не се проявяват очевидно чрез по-големи деформации. Само когато тръбата се нарязва в аксиална посока и се отстранява лента от стената на тръбата, може да се наблюдава „щракване“ на тръба в тръби, които са основно охладени отвън:

Степента на деформация често, но не винаги, създава впечатление за нивото на остатъчните напрежения. Информация за разпределението на остатъчното напрежение не може да бъде получена само от деформацията. Например за това могат да се използват специални тестови процедури или симулационни методи, както е показано на следващата фигура:

Измерване на остатъчни напрежения в пластмасови тръби

Така нареченият метод на Янсън често се използва за измерване на тангенциални остатъчни напрежения в пластмасови тръби. Той е относително широко разпространен, но съществуват и други методи. Следващата таблица изброява най-важните процеси, описани в литературата:

Янсън:

В процедурата за изпитване на Janson определянето на остатъчните напрежения се основава на деформацията на образец на тръба, причинена от свободното рязане (изрязване на лента в аксиална посока). Промяната в деформацията се измерва с помощта на две маркировки на тръбен участък с определена дължина. Максималното вътрешно напрежение в стената на тръбата се изчислява от деформацията, като се използват базирани на формула връзки.

Малка услуга:

Методът на измерване съгласно Kleindienst също използва деформацията на образец, причинена от остатъчно напрежение след освобождаване от рязане. При този процес от изпитвания образец се изрязва надлъжен сегмент, който нарушава баланса на вътрешните напрежения в тръбата. Налице е реакция на деформация на тялото на пръстена, така че разстоянието между двата режещи ръба се променя. С помощта на машина за изпитване на опън пробата се деформира обратно и се определя силата, необходима за постигане на първоначалното състояние. Тангенциалните остатъчни напрежения се изчисляват, като се приема линейно разпределение на напрежението върху дебелината на стената на тръбата.

Метод на нарязване:

С помощта на метода на разрязване могат да се определят максималните остатъчни напрежения в аксиална и тангенциална посоки. За да се определят тангенциалните вътрешни напрежения, тръбата се отрязва в надлъжна посока и се наблюдава деформацията (промяна в диаметъра) на пробата на тръбата. Външният диаметър се измерва след определен период от време. Максималните тангенциални остатъчни напрежения се изчисляват по формула. Методът е подобен на метода на Янсън.

Премахване на слой:

Методът за премахване на слоя и последващо нарязване (LRSS) е един от често използваните процеси за пластмасови тръби. С този метод тангенциалните остатъчни напрежения се измерват чрез явления на деформация. С метода LRSS, слоевете от материали с различна дебелина се отстраняват от определен брой проби. След това пробите се разрязват в аксиална посока. Деформацията, причинена от изрязания сегмент, се записва чрез измерване. Дебелината на стената може да бъде променена или чрез завъртане на външната повърхност, или чрез завъртане на вътрешната повърхност на тръбата.

Сондажен метод:

Методът на сондажа е широко използван метод за релаксация за определяне на остатъчните напрежения. Употребата е надеждна за голямо разнообразие от проби и бързо води до резултати. Освен това методът причинява само незначителни щети на пробата. Последователността на процеса и процедурата за измерване включват стандартизиран съгласно ASTM E837. С метода на сондажа могат да се измерват както аксиални, така и тангенциални остатъчни напрежения. Остатъчните напрежения се определят чрез пробиване на отвор (малък диаметър) в повърхността на тръбата и произтичащите от това промени в деформацията. Промените в деформацията на околната повърхност се измерват с помощта на тензодатчикови розетки. През последните години обаче все по-често се използват и оптични техники за регистриране на явленията на удължаване. Чрез сондаж с постепенно увеличаване на дълбочината, разпределението на напрежението може да бъде записано до дълбочина в порядъка на величината на диаметъра на сондажа. Вътрешните напрежения се изчисляват от деформацията на повърхността, която нараства с дълбочината на отвора.

Оценка на метода за измерване на Янсън

Изявление за разпределението на стреса

Трябва да се прави разлика дали се измерва реално разпределение на остатъчното напрежение или се приема линейно разпределение на остатъчното напрежение. Методът на Янсън предполага линейно разпределение на остатъчното напрежение. Това означава, че има вътрешни напрежения на натиск върху външната повърхност, които намаляват линейно в стената на тръбата и след това преминават към вътрешни напрежения на опън до вътрешната стена на тръбата:

Разбира се, че този линеен профил на остатъчно напрежение представлява опростено предположение. В действителност се развиват профили на остатъчно напрежение, които показват нелинеен ход, както е показано например в следващата илюстрация от симулация:

Следователно изчисляването на абсолютните стойности за максималните остатъчни напрежения, които възникват с помощта на метода на Янсън, е силно податливо на грешки.

Усилие и приложение

Изпълнението на теста на Янсън е описано от потребителите като сложно и не много възпроизводимо. Тъй като остатъчните напрежения често се използват като критерий за качество, това често е проблематично.

Вътрешните напрежения се облекчават веднага щом се направи рязането за отстраняване на аксиалната лента. В зависимост от начина на извършване на рязането, този ефект може да бъде повече или по-малко изразен, което по този начин води до неправилни резултати от измерването.

Ако отстранената лента не е достатъчно широка, двата допиращи се ръба ще се преместят един към друг и може Среща. Това прекъсва деформацията и фалшифицира резултата от измерването. В случай на тънкостенни тръби е възможно двата допиращи се ръба да преминат един през друг. След това обаче двете тръбни повърхности се търкат една в друга, което също води до фалшифициран резултат от измерването. Алтернативата за изрязване на по-широка аксиална лента не се препоръчва, тъй като измерването на разстоянието на маркировките, движещи се една към друга, е по-трудно, което също води до грешки в измерването.

Деформации възникват по време на изпълнението на трион. Те обаче са недефинирани и следователно не могат да бъдат включени във времевия ход на теста на Янсън. Това също усложнява възпроизводимостта на резултатите от измерването и води до грешки.

Обобщение

Тестът на Янсън се използва широко на практика, но има различни проблеми:

Приемане на линейна крива на вътрешното напрежение в стената на тръбата
Не е възможно изявление за разпределението на стреса
Трудно боравене с тестовата процедура, което води до лоша възпроизводимост

В момента се полагат различни усилия за разработване на оптимизирани методи за изпитване

Ако искате да сте информирани за допълнителни статии за отстраняване на неизправности при екструдиране, регистрирайте се тук за нашия безплатен бюлетин. В същото време получавате достъп до нашата безплатна зона за изтегляне.