» » Ползучесть и релаксация резиновых опорных частей

Ползучесть и релаксация резиновых опорных частей

25.04.2016

В то время как по ползучести хлоропренового каучука имеются некоторые исследования, релаксация вряд ли исследовалась. Оба свойства зависят от факторов, которые едва ли учитывались характеристиками материалов в соответствующих технических условиях на допуск к эксплуатации, поэтому применяемые эластомеры различных изготовителей очевидно имеют неодинаковые свойства.
Свойства ползучести и релаксации зависят от следующих факторов:
а) вида и типа каучука (ползучесть возрастает со способностью к кристаллизации);
б) состава смеси (ползучесть возрастает с расположением к кристаллизации);
в) твердость вулканизата (ползучесть возрастает с увеличением твердости);
г) степени вулканизации (ползучесть уменьшается с возрастанием степени вулканизации);
д) истории деформаций (ползучесть уменьшается при более продолжительных и значительных деформациях прежде всего, если они происходят при повышенной температуре);
е) величины деформаций (ползучесть возрастает с увеличением деформаций; при очень больших деформациях ползучесть вновь уменьшается);
ж) пульсирующих и знакопеременных напряжений и деформаций (ползучесть возрастает с наступлением пульсирующих и знакопеременных напряжений и деформаций);
з) температуры (ползучесть возрастает с повышением температуры, рис. 5.15);
и) вида нагружения (если преимущественно интересующую нас ползучесть при сдвиге принять за 100%, то ползучесть при сжимающей нагрузке составит лишь около 80%, а ползучесть при растягивающей нагрузке примерно 130%).
Ползучесть и релаксация резиновых опорных частей

Ползучесть при постоянных касательных напряжениях. В работе описаны исследования на ползучесть, выполненные Keeном в течение примерно 10 лет, причем исследовались различные влияния.
Важнейшим результатом их стала уверенность, что имеется определенная мера ползучести и не может быть бесконечной текучести даже для исследовавшихся в течение 10 лет при постоянных касательных напряжениях материалов, подверженных значительной ползучести. Наибольшая мера ползучести составила φ=1,20 (относительно деформации после 5 мин).
Для пояснения разнообразных возможностей приведем результаты испытания образцов S12—S14 (таб. 5.2), хотя для них продолжительность испытаний была значительно меньшей.
Для образцов S12 и S14 отмечалось замедление эффекта ползучести при 0°C (см. рис. 5.15, а), что объясняется кристаллизацией, Вспомним, что кристаллизация уменьшается при использовании энергии, т. е. при нагревании или деформациях, вызывающих выделение тепла.
Ползучесть и релаксация резиновых опорных частей

В институте по строительству земельных транспортных путей технического университета в Мюнхене были проведены исследования эластомерных опорных частей, допущенных к применению, на ползучесть при сдвиге в течение более 3 лет и 2 мес. Изготовленные из обычной эластомерной опорной части два образца (рис. 5.16) нагружали с помощью подвешенных грузов, вызывавших в них касательные напряжения 8 кгс/см2. Нагрузку передавали-специальным приспособлением постоянно и без толчков.
Испытательную аппаратуру подвесили к внутренней стене и защитили от неожиданных температурных колебаний (например, от сквозняков при открытии дверей) поливинилхлоридной пленкой. Деформации обоих образцов измеряли раздельно. При взятии показаний с мессур пленку не удаляли.
Средняя комнатная температура при испытаниях, включая промежуточные разгружения, составила около 19±3°С. Лишь между примерно 100 и 200 сут температура упала вследствие неисправности в отоплении в среднем до 14°С, что несколько повлияло на характер кривой (рис. 5.17).
Ползучесть и релаксация резиновых опорных частей

После первого нагружения образцов примерно в течение 3 мес производили разгружение в течение 7 сут, затем снова прикладывали сдвигающее усилие. Через последующие 2 года и 2 мес снова производили кратковременную разгрузку и опять нагружали образцы в течение 3 мес.
Примерно через 2,5 года после пятидневного разгружения изменили направление действующей силы. Во время этой операции изменение деформаций разгруженных образцов не измеряли, поэтому кривую для этих дней экстраполировали.
Результаты испытаний показали, что черв 3 года и 2 мес конечная мера ползучести составила φ=0,39, причем в качестве упругих определяли деформации через 5 мин по Кеену. Уже через неделю произошла примерно половина деформаций ползучести. Незначительные колебания температуры примерно на 5°С заметней влияли на ползучесть. Остаточные деформации, которые наблюдались при промежуточных разгружениях, возрастали быстрее, чем ползучесть. Они составили через 3 мес 29% и через 3 года 50% общих деформаций. Это указывает на то, что релаксация должна быть больше, чем ползучесть.
При изменении направления нагрузки через 3 года остающиеся деформированными испытуемые образцы реагировали модулем сдвига таким же, что и при первом загружении. Эта ветвь кривой отличается лишь несколько меньшей относительной мерой ползучести, что связано с выбранным определением начала ползучести (5 мин). Установлено, что обратные деформации возрастают несколько быстрее и переход к ветви ползучести кривой выражен отчетливее.
Ползучесть и релаксация резиновых опорных частей

Следует заметить, что образцы перед испытаниями не подверглись искусственному старению, как это обычно делают при испытаниях эластомерных опорных частей в ФРГ. Благодаря этому испытания должны лучше соответствовать действительным условиям.
Ползучесть при постоянных сжимающих напряжениях. Паре и Кейнером в работе описаны опыты, в которых образцы из хлоропренового каучука без арматуры размером 150х300х38 мм нагружали статической сжимающей нагрузкой и одновременно для сравнения 10-минутной знакопеременной сдвигающей нагрузкой. Продолжительность испытаний ограничили 2—3 ч. Полученные относительные значения ползучести показаны на рис. 5.18. Твердость образцов по Шору составляла 70.
При нормальных напряжениях σ=140 кгс/см2 и касательных напряжениях τ=0 деформации ползучести составили 9% упругих деформаций, что случайно соответствует значению, представленному на рис 5.14. Образцы имели твердость по Шору 70, поэтому ожидалась в общем более значительная склонность к ползучести, чем испытывавшихся в Мюнхене образцов с твердостью по Шору 60. С другой стороны, способность к ползучести при укаванной сжимающей нагрузке меньше, чем при испытании сдвигающей нагрузкой (см. рис. 5.14).
Большой интерес представляет возрастание деформаций ползучести при одновременном со сжимающей (даже значительно меньшей) нагрузкой загружении знакопеременной сдвигающей нагрузкой. Если принцип возрастания ясен, то величины различия в деформациях нет. Имеется мнение, что здесь измеряли не деформации ползучести от вертикальной нагрузки, а изменение коэффициента формы вследствие проскальзывания по нагруженной поверхности. Это явление подробнее разобрано при рассмотрении трения.
Ползучесть и релаксация резиновых опорных частей

Ползучесть при сжимающей нагрузке измеряли для опорных частей под зданием в Лондоне в 1967—1968 гг., причем основные деформации ползучести затухали уже во время строительства в течение года. Измеренные изменения толщины опорных частей вследствие колебаний температуры были значительно больше остаточных деформаций ползучести. Этого следовало ожидать, так как коэффициент температурного расширения резины большой.
В 1968 г. в Институте бетона и железобетона университета Карлсруэ испытывали эластомерную опорную часть диаметра 800 мм при среднем опорном давлении 210 кгс/см2. Эксцентрические нагрузки соответствовал величине ядра опорной части (d/8=10 см). Деформации ползучести (относительно деформации для 5 мин после нагружения) составили при примерно 6-часовом нагружении 8%. Круглая опорная часть d = 800 мм имела толщину 70 мм с тремя слоями резины толщиной по 15 мм (рис. 5.19).
Релаксация и эффект Джоуля из прямых измерений. Очевидно, из-за незнания необычных свойств резины ограничивались тем, что с помощью опытов определяли модуль сдвига и рассчитывали реактивные силы резиновых опорных частей по деформациям из известного уравнения
H = tan γ FG.

Непосредственные измерения реактивных сил из деформаций сдвига были произведены в техническом университете в Мюнхене (рис. 5.20). Первоначальной целью испытаний было измерение релаксации. Были разработаны две программы испытаний, которые соответствовали идеализированным перемещениям массивных и стальных мостов.
Ползучесть и релаксация резиновых опорных частей

Как видно из характера кривых касательных напряжений в области между 1700 и 2300 ч (рис. 5.21), влияние температуры преобладает над всеми другими факторами. Касательные напряжения очень колебались в начале опыта, что соответствует действительным условиям работы сооружения, однако из-за большого числа параметров это оказалось непригодным для определения релаксации.
Поэтому после 1700 ч опытy. установку поместили в помещение с кондиционированием воздуха, что позволило ясно различить эффект релаксации. Примерно после 2500 ч установку для кондиционирования воздуха переключили на охлаждение, температура к 2600 ч упала до -28°С. Только из-за такого охлаждения, без изменения деформаций, результирующие касательные напряжения уменьшились на 36%. Выдерживание при постоянной температуре -15°С соответствовало постоянным касательным напряжениям.
При повышении температуры касательные напряжения резко возрастают. Если деформации не изменяются, то при одинаковой температуре следовало бы ожидать одинаковых касательных напряжений, однако это не так, как видно из сравнения графиков в области 2500 и 2700 ч. Область падения касательных напряжений очень крутая, а увеличения более пологая. При температуре +35°С касательные напряжения достигают 1,8-кратной величины касательных напряжений при температуре -28°С,
Ползучесть и релаксация резиновых опорных частей
Ползучесть и релаксация резиновых опорных частей

Увеличение температуры снова примерно до 20°С к 2800 ч не дало таких же касательных напряжений, что были в области 2400 ч. Скачок касательных напряжений не пропорционален скачку температуры. Это, возможно, связано с остаточной кристаллизацией в области низкой температуры, так как температура +35°С недостаточна для полного разрушения кристаллов. Только новые деформации сдвига при 3000 и 3300 ч вновь привели к прежнему уровню напряжений, которые были в области 2400 ч.
Представляет интерес значительная релаксация после непропорционального возрастания касательных напряжений при скачке деформаций после 3000 ч. В области 3600 ч заметно падение касательных напряжений вследствие релаксации.
Для имитации первых подвижных нагрузок на массивный мост примерно через 3650 ч после начала испытаний приложили пульсирующую сжимающую нагрузку. Для этого испытательное приспособление уложили горизонтально под пресс и создавали пульсирующую нагрузку между 125 и 30 кгс/см2. Пульсация имела частоту лишь 1,5 Гц, чтобы испытуемые образцы не нагревались. Уже 1000 циклов нагрузки было достаточно, чтобы (опять без изменения деформаций сдвига) результирующие касательные напряжения уменьшились на 12%.
В области около 5100 ч после уменьшения деформации на 40% резко и непропорционально упали на 65% касательные напряжения, чтобы затем вновь значительно увеличиться вследствие влияния релаксации. Таким образом, релаксация не всегда означает уменьшение касательных напряжений, а характеризуется и замедленным приспосабливанием напряжений к деформациям.
Внезапное возвращение к прежнему уровню деформаций примерно через 5200 ч привело к ясно выраженному пику напряжений с соответственно заметной релаксацией. Остаточный уровень напряжений находится несколько выше, чем при 5000 ч. При постоянной температуре закономерностей для релаксации не установлено.
Ползучесть и релаксация резиновых опорных частей
Ползучесть и релаксация резиновых опорных частей

На рис. 5.22 представлены касательные напряжения, полученные при параллельно выполнявшихся испытаниях в морозильной камере. В соответствии с первоначальной программой испытаний создавали деформации tanγ=0,35, которые, несмотря на температуру — 10°С, вызывали касательные напряжения лишь 3 кгс/см2. Уменьшение напряжений объясняется кристаллизацией и одновременно релаксацией. Очень резкое изменение деформаций привело к непропорциональному возрастанию касательных напряжений. Каждому этапу деформаций соответствует ясно выраженная релаксация.
Напряжения после релаксации до некоторой степени могут считаться обеспеченными, в то время как пики напряжений зависят только от чисто случайной скорости при создании деформаций и отсчетов. Одновременное понижение температуры соответствует условиям стальных конструкций, но уменьшает возможности интерполяции. Значительная релаксация наблюдается до 800 ч. Следует ожидать, что соответствующий деформациям уровень напряжений примерно 4 кгс/см2 может быть обеспечен через достаточно длительное время.
Причиной относительно большого возрастания касательных напряжений в области 300 ч является кристаллизация эластомера, которая наблюдается при длительном воздействии низкой температуры. Наибольшая скорость кристаллизации соответствует области — 10°С.
Возрастание температуры (снова без изменения деформаций) около 800 ч также вызывает увеличение касательных напряжений, что следует ожидать из эффекта Джоуля. Дальнейший характер кривой противоречит нашим представлениям, так как последующее повышение температуры приводит к уменьшению касательных напряжений. Устранение кристаллизации при этих температурах еще невозможно, поэтому можно говорить только об ускорении релаксации, которое продолжается примерно до 1600 ч.
В области 1300 ч, очевидно, большая часть кристаллизации исчезает, так как при увеличении и понижении температуры одновременно наблюдается соответственно возрастание и уменьшение касательных напряжений, что характерно для энтропии — упругости (эффект Джоуля).
Примерно к 1300 ч образцы поместили в морозильную камеру и наблюдали дальнейший характер касательных напряжений при двух различных постоянных деформациях. В области между 1400 и 1600 ч наблюдается наложение эффектов кристаллизации и релаксации.
Эффект кристаллизации уменьшающий касательные напряжения, наблюдался уже в области до 300 ч и теперь снова отчетливо заметен для обоих испытуемых образцов между 1700 и 1800 ч и соответственно 2200 и 2300 ч.
Из характера кривых после 1300 ч видна пропорциональность эффектов исходным деформациям, однако имеется некоторое различие между обоими образцами.
В некоторых случаях на практике наблюдалось влияние релаксации. При подъеме мостов или других конструкций обнаруживали, что деформированные резиновые опорные части самопроизвольно полностью не возвращаются в исходное недеформированное состояние. Результатов точных измерений, к сожалению, нет. Имеются данные от полного прекращения деформаций в течение нескольких часов до практически постоянных продолжительных деформаций в течение времени наблюдения. Причиной такого широкого диапазона являются неодинаковые свойства различных применяемых опорных частей, разность температур и (не в последнюю очередь) субъективная оценка наблюдателей.
Часто считают, что кратковременным подъемом конструкции можно вызвать обратные деформации, чтобы при дальнейших перемещениях сооружения обеспечить полные допустимые деформации опорных частей. Представляется, что резиновая опорная часть при подъеме сразу же примет исходную форму. Однако установлено, что в зависимости от свойств опорной части, температурных условий и продолжительности полученных опорной частью деформаций приходится более или менее долго ждать, пока будет достигнута исходная форма.
Можно повернуть опорную часть в плане на 180°, так как при этом остаточные деформации будут дополнительным резервом перемещений опорной части. Допустимость такого поворота подтверждают результаты измерений деформаций сдвига при загружении сдвигающей нагрузкой (см. рис. 5.17). Данными испытаниями было установлено, что изменение направления сдвига опорной части, испытывающей деформации ползучести, не изменяет ее свойств упругости. При повороте опорной части следует обращать внимание на то, чтобы над опорной частью и под ней имелась ровная опорная поверхность достаточных размеров. При процессах ползучести и релаксации большую роль играют поперечные элементы между молекулярными цепями резиноэластичного материала. При ползучести хлоропренового каучука эти поперечные элементы, очевидно, только перестраиваются, но не разрушаются. Они смещаются при больших напряжениях, возникающих вследствие больших деформаций, и ищут «удобное» положение.
Эластомеры из хлоропренового каучука принципиально отличаются значительно большей склонностью к ползучести, чем эластомеры из натурального каучука, что создает значительные трудности, так как остаточные деформации сжатия достигают примерно 10%.