spow 44197 اشتراک گذاری ارسال شده در 5 شهریور، ۱۳۸۹ کاربرد مواد پليمري براي استفاده در ضربه‌گيرهاي خودرو و جاذب‌هاي ارتعاشي به‌دليل توانائي بالاي جذب انرژي بسيار گسترده است. در اين کاربرد قطعاتي با شکل‌هاي گوناگون به‌صورت ترکيبات لاستيک به فلز ساخته مي‌شوند که تحمل وزن قطعاتي چون موتور وگيربکس و اتاق خودرو را بر عهده دارند. طراح براي ارضاء نياز محاسباتي خود الزاماتي را براي اين قطعات تعريف مي‌کند. جدا از الزامات هندسي مهمترين عامل، رفتار قطعات در برابر بارهاي ارتعاشي است. به اين منظور قطعه بايد تحت بارهاي مختلف ارتعاشي رفتارهاي ديناميکي ويژه‌اي از خود از نشان دهد. به‌دليل رفتارغيرخطي قطعات پيش‌بيني اين رفتار از پيچيدگي خاصي برخودار است و در مدل‌سازي رياضي قطعه پارامترهاي متنوع شامل نوع مواد، دماي پخت، فشار پخت و غيره به چشم مي‌خورد. در اين مقاله سعي مي‌شود با استفاده از تغييردادن يکي از پارامترهاي موثر بر خواص قطعه و با استفاده از آزمايش مستقيم خواص ديناميکي قطعه چون ضريب فنريت و اتلاف يک روش جهت تاثير اين پارامتر ارائه شود. نتايج آزمايشات انجام شده بروي قطعات نمونه نيز ارائه گرديده است و درمقالات بعدي نشان داده مي‌شود که با دقت مناسب مي‌توان اين مدل رياضي را براي پيش‌بيني رفتار قطعه مورد استفاده قرار داد. زمينه آشنايي امروزه، استفاده از مواد مختلف پليمري، به بحثي مهم و اساسي درصنايع تبديل شده است. پليمرهاي ويسکوالاستيک‌ها1، پليمرهايي هستند که بسته به نوع پليمر مبنا و افزودني‌هاي آن در فرايند توليد، مي‌توانند دامنه‌‌اي وسيع از خواص را در اختيار ما قرار دهند. پديده ويسکوالاستيک که در تبيين رفتارهاي غيرقابل توضيح، ناشناخته و وابسته به زمان و پسمانده بعضي عناصر ارتجاعي کمک بسزايي مي‌کند، در اواسط قرن نوزدهم شناخته شده است. در اين ميان، پليمرهايي با وزن اتمي بالا، در حالت ذوب رفتاري غير نيوتني از خود نشان مي‌دهند که اين امر بيانگر رفتار دوگانه ارتجاعي به همراه لزجت غيرثابت و وابسته به نرخ تنش برشي است. به‌بياني ديگر، پليمرهاي به ظاهر جامد2 خواص ديناميکي وابسته به زمان و فرکانس از خود نشان مي‌دهند که اين امر در پديده ويسکوالاستيک طبقه‌بندي مي‌شود. گفتني است که رفتار خطي و غيرخطي ويسکوالاستيک‌ها در حالت ذوب شدن3 و نيمه کريستالي و شيشه‌اي، قابل بررسي است. عملکرد مواد ويسکوالاستيک عملکرد مواد ويسکوالاستيک خطي يکي از مهمترين جنبه‌هاي تئو ري مولکولي است که داراي توانائي قانون‌مند کردن عملکرد مواد است. عملکرد مواد درحقيقت همان تشريح ضرايب معادلات تنش و کرنش حاکم بر ماد ايزونتروپيک است به طو ري که خواص مواد در تمام جهات يکسان است اين ضرايب براي مواد ارتجاعي ايزونتروپيک به ترتيب، مدول الاستسيته، مدول حجمي، مدول برشي، ضريب ثابت لمه است. عملکرد مواد ويسکوالاستيک در صورتي که ضرايب معادله تنش وکرنش داراي خواص متغيير در حوزه فرکانس وزمان باشند داراي رفتار ويسکوالاستيک خطي است.مدل‌هاي گوناگوني داراي تبين تاريخچه زماني خواص مدل ويسکوالاستيک يانگ ومدول برشي ارائه شده است که مي‌توان به معادله بولتزمن مرجعمراجعه كرد. براي تبديل مواد لاستيکي ويسکوز به ويسکوالاستيک ازمواد شبکه‌اي کننده استفاده مي‌شود شبکه‌اي شدن4 تغيير ماده با وزن مولکولي بالا از حالت پلاستيک ياترموپلاستيک به حالت الاستيک است. اجزاي تشکيل دهنده آميزه عبارتند از: کائوچوي طبيعي: الاستومري 100 درصد غير اشباع است و با توجه به اينکه به ازاي هر پيوند تکراري يک باند غيراشباع دارد، ساختار ميکروسکپي آن سيس يا ترانس است. آنچه که به عنوان 5NR در صنعت لاستيک مصرف مي‌شود، سيس کامل است. کائوچوي مصنوعي: SBR 6 يکي از پر مصرف‌ترين پليمرهاي مصنوعي و در واقع کوپليمري7 از استايرن و بوتادين است، اين ماده از لحاظ ساختار ميکروسکوپي و ماکروسکوپي، حسب نوع روش شيميايي تهيه آن متفاوت است. دوده: نوع دوده در خواص کامپاند موثر است ازآنجا كه دوده سطح فعال دارد، زمان اطمينان8 را کوتاه مي‌کند. هرچه ذرات دوده در شتر و مقدار فيلر کمتر باشد، زمان استراحت کوتاه‌ترخواهد شد. روغن: اين ماده کار پخش و توزيع يکنواخت پرکننده در داخل ماتريس پليمري را برعهده دارد. گوگرد: يکي از مواد پرمصرف ورايج درصنايع لاستيکي براي ولکانيزاسيون لاستيک است. ولکانيزاسيون با گوگرد، اجازه مي‌دهد تا کنترلي وسيع نه‌تنها برسرعت ولکانيزاسيون بلکه بر دما نيز اعمال شود. اکسيد روي: اين ماده در صنايع لاستيک‌سازي به‌عنوان يکي از اجزاي مهم آميزههاي لاستيکي به‌کار مي‌رود. نقش اکسيدروي درآميزههاي لاستيکي، مشارکت در سازوکار پخت به‌هنگام استفاده از سيستم‌هاي پخت گوگردي است. (تترامتيل تيورام دي سولفايد)9 جز شتاب دهندهاي سولفيدي است که زمان پخت کوتاه ، و زمان ايمني مناسب مي‌دهد. مدل ارتعاشي الف ـ المان مرتبه دوم يک سيستم جرم فنرميرايي درنظر بگيريد اين سيستم، ساختاري مفهومي از المان‌هاي مرتبه دوم است که جرم درآنها مشارکت دارد وسختي فنر آن و ثابت ميرايي آن است. هر گاه مجوعه‌اي متشکل از جرم، فنر ودمپرموازي، تحت تاثير نيرويي متغيير با زمان، همچون قرار بگيرد، برطبق قانون دوم نيوتن، معادله ارتعاشي حاکم بر رفتار آن عبارت خواهد بود از: Mx+Cx+Kx= Ft روابط رياضي بين پارامترهاي ارتعاشي را مي‌توان به‌صورت زير نوشت (شکل1): شکل1 در شکل1،تمامي روابط رياضي موردنظر مشخص شده است. ب ـ مدل‌هاي غيرخطي براي مدل‌سازي غيرخطي خواص ارتعاشي الاستومرها مي‌توان از روش‌هاي زيادي استفاده کرد. ساده ومعمول‌ترين شيوه، نحوه برخورد گسترش روابط خطي به حالت کامل‌تر است. مقادير تغيير مکان در فرم خطي، تاثيري در ضريب فنريت ديناميکي ندارد، اما در عمل مشاهده مي‌شود که تغيير مکان‌هاي زياد باعث سخت‌تر شدن قطعه ودرنتيجه بالارفتن ضريب فنريت ديناميکي خواهد شد. دليل اين امر را مي‌توان بالا رفتن نرخ کرنش درقطعه و درهم‌گيرکردن اجزاي ساختماني آن دانست. همچنين، افزايش فرکانس مي‌تواند جدا از تاثيرات خطي، باعث تغيير ضريب فنريت اضافه برحالت خطي شود. درکل مي‌توان ضريب فنريت ديناميکي را به‌صورت زير تخمين زد: كه درآن :تاثير غيرخطي فرکانس و : تاثير غيرخطي نيروست.در پايين به روش‌هاي محاسبه مدل‌هاي غيرخطي مي‌پردازيم. سختي استاتيک در سختي استاتيکي، قطعه را در دستگاه کشش و فيکسچر مربوط به‌خود قرارداده و درجهت اعمال نيرو، آن را با سرعت خطي ثابت 10mm/min از صفر تا نيروي ماکزيمم تحت کشش قرار مي‌دهيم. سپس، ازحالت ماکزيمم به صفربرگشته ودر نهايت باتعيين 2 نقطه مطابق روش مماسي، 2 نيرو و2 تغيير مکان متناظرآن به‌دست مي‌آيد و سختي استاتيکي مطابق رابطه پايين به‌دست مي‌آيد: که درمشخصات تست‌ها لاستيک، علاوه برموارد ذکرشده، تست‌ها ديگري نظير تست آسودگ وخزش نيز وجود دارد. در تست آسودگ مقدارنيرو درطول انجام تست، متغيير ومقدار تغيير مکان ثابت است، اما در تست‌ها خزش مقدارنيرودر طول انجام تست ثابت است و بعداز يک دوره زمان مقدار تغيير مکان خوانده م‌شود. سختي ديناميک اگر مطابق فرمول شماره (9) نيروي را درحالت ارتعاشي به قطعه وارد كنيم، تغييرشکلي معادل فرمول شماره (10) خواهد داشت. در نتيجه، سختي ديناميکي آن مطابق فرمول شماره (11) محاسبه خواهد شد. در نهايت، منحني نيرو وتغيير مکان برحسب زمان به‌صورت شکل‌هاي2و3 است که درآنها مقدار نيروي ميانگين ونوساني وتغيير مکان ميانگين ونوساني، کاملا مشخص است. نحوه تاثير نيروي تغيير مکان بروي قطعه، اين‌گونه است که قبل از انجام تست، مقدار تغييرمکان وپيش‌بار تنظيم مي‌شود ودر فرکانسي معين، به قطعه ارتعاش وارد مي‌شود. درواقع، مقدار تغييرمکان، در طول تست ثابت بوده ومقدار نيروي نوساني، با سختي ونرمي قطعه متناسب است. اگر قطعه بيش ازحد نرم باشد، مکانيزم براي رسيدن به تغييرمکان لازم، به نيروي کمتري نياز دارد. درنتيجه، سختي ديناميکي قطعه، مقداري کمتر دارد. درحالتي که قطعه بيش ازحد سفت است، مکانيزم براي رسيدن به تغييرمکان به نيروي بيشتري نياز دارد و سختي ديناميکي آن بالاتراست. اختلاف فاز اختلاف فاز، از رسم همزمان دومنحني نيرو وتغييرمکان به‌وجود مي‌آيد. شکل4، نشان دهنده تغييرات همزمان نيرو وتغييرمکان، برحسب زمان است که مقداردرنمودار يادشده، فاصله پيک زماني نيرو وتغييرمکان و مقدار فاصله زماني يک پيک نيرو است. نتيجه اختلاف فاز نيز مطابق معادله (12 ) است. با تانژانت گرفتن از فرمول (12) مقدار تانژانت اختلاف فاز به‌دست مي‌آيد شكل2 شكل3 شكل 4 آزمايشات دستگاه‌هاي اندازه‌گيري براي انجام آزمايشات و اندازه‌گيري مشخصات ديناميکي از دستگاه‌هاي موجود در آزمايشگاه استفاده مي‌كنيم. اين مجموعه دستگاه‌ها مي‌توانند ضريب فنريت ديناميکي قطعات الاستومري را تعيين كنند. 1. دستگاه اندازه‌گيري عملکرد ارتعاشي قطعات الاستومري در فرکانس پايين اين دستگاه براي اندازه‌گيري مشخصات در فرکانس پايين (~1) طراحي شده است. مکانيزم عملکرد آن به‌صورت رفت وبرگشتي مکانيکي به‌وسيله مکانيزم لنگ است که مي‌تواند يک موج تغييرمکان سينوسي را با دامنه (0,0.2mm) ايجاد كند. همچنين، مي‌توان با اعمال فشار، به‌تعداد مورد نظر پيش‌بار بروي قطعه وارد کردشکل(5). 2. دستگاه اندازه‌گيري عملکرد ارتعاشي درفرکانس بالا دراين دستگاه با استفاده از مکانيزم شوك الکترو مغناطيسي مي‌توان موج ارتعاشي در محدوده فرکانسي (~50) و دامنه نوساني(0,0.2mm) ايجاد کرد. در اين دستگاه مي‌توان فرکانس عملکرد، نيروي پيش‌بار و ميزان دامنه تغييرمکان را تنظيم و اندازه‌گيري كرد. شكل 5 هردودستگاه يادشده، داراي مکانيزم برداشت اطلاعات وکنترل توسط کامپيوترهستند (شکل6). شكل6 3. دستگاه تست دوام ارتعاشي سرو هيدروليک اين دستگاه، براي اجراي سيکل‌هاي دوام بر روي قطعه، مي تواند نيروي سينوسي با فرکانس، پيش‌بار و دامنه مورد نظر را به تعداد دلخواه بروي قطعه وارد كند (در اين مقاله براي مقايسه رفتار قطعات، پيش و پس از خستگي، از اين دستگاه استفاده شده است، شکل7). شكل7 شرح قطعه براي انجام آزمايشات، يک قطعه الاستومريک را به‌صورت نمونه درنظر مي‌گيريم. اين قطعه به‌عنوان دسته موتور ضربه‌گير در خودروهاي گروه پژو، کاربرد دارد. فريم فلزي و الاستومر چسببيده به آن، به‌عنوان جاذب ارتعاشي در اتصال موتور خودرو به بدنه، کاربرد دارد (شکل8). شكل8 توضيح آزمايش براي تهيه نمونه آزمايشي، 5 ترکيب مختلف با آميزه اوليه و نهايي مطابق با جدول1 را انتخاب كرديم. در اين نمونه‌ها، مقادير و اکسيد روي، ثابت‌مانده وفقط در مقادير گوگرد تغييراتي ايجاد شده است. مقدار گوگرد را در محدوده(3.25-2.25)10 تغييرداديم. براي بررسي تاثير دماي پخت، 5 دماي مختلف در محدوده170 تا220 درجه سانتي‌گراد را آزمايش كرديم. نتيجه اين دو انتخاب، 25نمونه مختلف براي آزمايش بود. براي5 نمونه از25 نمونه يادشده، خواص ديناميکي، استاتيکي و تانژانت اختلاف فاز در فرکانس بالا و پايين را در مقادير مختلف گوگرد و دماي ثابت 190درجه اندازه‌گيري کرديم. نتايج اندازه‌گيري در جدول 3 ارائه شده است. با بررسي نتايج تست براي کل اين 25 نمونه مي‌توان اثر تاثير گوگرد و يا دماي پخت را در ماتريس دوبعدي نتايج مشاهده کرد. ستون‌ها، اثر تغييرات ماده گوگرد است وسطرها، اثر تغيير ميزان دماي پخت را نشان مي‌دهد. براي اين 25 نمونه، سختي ديناميکي در فرکانس بالارا مطابق با سطر اول جدول (2) اندازه‌گيري مي‌كنيم نتايج اندازه‌گيري در جدول 4 ارائه شده است. جدول 1 : فرمولاسيون آميزه اوليه و نهايي 5 نمونه انتخابي جدول 2: الزامات ديناميکي واستاتيکي استاندارد درفرکانس بالا وپايين جدول 3 : خواص ديناميکي، استاتيکي وتانژانت اختلاف فاز در فرکانس بالا و پايين در مقادير مختلف گوگرد با دماي ثابت پخت 190درجه جدول4 : خواص ديناميکي درفرکانس بالا در حالت دما وفشار متغيير جدول 5: خواص ديناميكي و استاتيكي و تانژانت اختلاف فاز در فركانس بالا و پايين در مقادير مختلف گوگرد در دماي ثابت پخت 190 درجه بعد از تست دوام مشاهده رفتار قطعه بعد از تست دوام 5 آزمايش نمونه به‌صورت زير انجام داديم. هر آزمايش شامل يک تست دوام تحت نيروي ارتعاشي با دامنه 1300 نيوتن، پيش بار 1300 نيوتن به‌صورت فشاري در فر کانس 1 هرتز(1hz) و به مقدار 10000 سيکل بود. قبل وبعد از تست دوام، مقادير سختي ديناميکي، سختي استاتيکي وتانژانت اختلاف فاز قطعه دردماي ثابت190 درجه اندازه‌گيري شد و افت خواص به‌دست آمد. نتايج در جدول5 مندرج است. همان طورکه در شکل 9 و جدول 4 مشخص است، مقدار سختي ديناميکي در محدوده دمايي، تغيير چنداني نداشته و دليل آن را مي‌توان ثابت بودن زمان پخت در حد دماي حد فاصل 190 تا 205 درجه سانتي‌گراد دانست. شکل 9 شكل10 دراين نمودار، سايرعوامل (فشار، دما، زمان پخت ومقدار شتاب دهنده) ثابت بوده وفقط مقدارگوگرد افزايش مي‌يابد، با افزايش مقدارگوگرد، چگالي اتصالات عرضي زياد شده ومتناسب با آن، سختي ديناميکي بيشتر مي‌شود. اين عمل تا هنگامي امکان‌پذيراست که پيوندهاي دوگانه غير اشباع، وارد واکنش مي‌شوند. براساس نمودار، مقاديرسختي ديناميکي براي گوگرد بين 190Phr تا 205 درجه سانتي‌گراد مطابق الزامات استاندارد است. آزمايشات دوام اتصالات ايجاد شده در شبکه‌هاي گوگردي آزمايش در قطعه موردنظر، اتصالات ايجاد شده درشبکه گوگردي، مقاومت کافي براي حرکت‌هاي سيکليک ايجاد مي‌کنند زيرا براي اتصال گوگردي، بيش از دو انعطاف پذيري ساختاري را در قطعه ايجاد كرده و امکان دوام بيشتر در حرکات ارتعاشي و سيکلي را فراهم مي‌سازند. همان‌گونه که گفته شد، با آزمايش بر روي اين 5 قطعه نمونه و اندازه‌گيري قبل و بعد از تست دوام، صحت نتيجه‌گيري فوق محقق شده است. درواقع اتصالات گوگردي بين زنجيره، پليمري هستند که تعداد اتم گوگرد شرکت کننده درآنها بيشتر از دو عدد است. اين اتصالات، به‌دليل انعطاف‌پذيري، خود ميراکننده انرژي بوده و به همين علت تحمل حرکات سيکلي را افزايش مي‌دهند. 5 قطعه مورد آزمايش، دوام لازم در 100000 سيکل لاستيک را تحمل مي‌کنند. درخواص مورد نظر نيزدرمقايسه با آزمايشات قبل از دوام با اندكي افت روبه‌روهستند كه نتايج آن در جدول‌هاي 4 و5 ارائه شده است. منحني‌هاي مقايسه‌اي وضعيت قبل و بعد از تست دوام براي سختي استاتيکي، ديناميکي وتانژانت اختلاف فاز نيزدر قسمت‌هاي بعدي ارائه شده است. علت اصلي افت خواص اتصالات بلند، ميراکننده انرژي بوده و به همين علت، حرارت ايجاد مي‌شود. حرارت در سيکل‌هاي بالا باعث پاره‌شدن يک‌سري اتصالات شده و خواص مورد نظر به دليل افت چگالي اتصالات عرضي، افت مي‌کنند. براساس اين شکل، بعد ازتستهاي سيکليک مقدار زاويه فاز ودرنتيجه تانژانت آن افزايش مي‌يابد ومقدار ماکزيمم آن حدود 0.5 است. نتيجه‌گيري دراين مقاله تاثير دو پارامتر اساسي دماي پخت ودرصد گوگرد را بروي رفتار ديناميک و استاتيک قطعات الاستومريک بررسي کرديم. با انتحاب قطعات مختلف که در هركدام، يکي از دو پارامتر فوق را تغيير داده بوديم و نيز با اندازه‌گيري مستقيم خواص ديناميکي، ميزان اهميت اين تغييررا بر خواص موردنظر مطالعه كرديم. نتايج آزمايشات نشان مي‌دهند که تغيير درصد گوگرد درساختار کامپاند، تاثير بيشتري بررفتار ديناميکي قطعه مي‌گذارد. علت اين امر، ارتباط مستقيم رفتار ديناميکي با مشخصات ساختمان مولکولي جسم است که شديدا متاثر از مقدارگوگرد مصرفي خواهد بود. بالا رفتن ميزان گوگرد، مقدار چگالي اتصالات عرضي را افزايش مي دهد. لذابا تنظيم مناسب ميزان گوگرد ودماي پخت مي‌توان به رفتار ديناميکي دلخواه قطعه دست يافت. اين امر بويژه در صنايع لاستيک سازي اهميت دارد. پيشنهاد ديگر اين است که هرکارخانه توليدي، با ايجاد قالبي يکنواخت وساده و نيز تهيه نمونه‌هاي مختلف با درصدهاي گوگرد ودماي پخت مختلف، جدولي مناسب براي تخمين رفتار کامپاند ويژه خود بيابد. اين جدول به تحقق ثبات استاتيکي و ديناميکي مورد نظر طراح در قطعه توليدي كمك خواهدكرد. همچنين، پيشنهاد مي‌شود که اين بررسي اجمالي که تنها به تاثير ميزان گوگرد ودماي پخت محدود شده بود، به‌گونه‌اي گسترش يابد که تاثير عوامل مختلف ديگر، همانند فشار پرس، ميزان شتاب دهنده، ميزان SBR در رفتار ديناميکي مورد مطالعه قرارگيرد. بعلاوه، مي‌توان از نتايج ومشاهدات تجربي فوق به يک مدل‌سازي تجربي وطبعا غيرخطي از ساختار کامپاند، دست يافت.اين امر با يک تحليل رياضي امکان پذير است. با استفاده از اين مدل، مي‌توان انتظارات طراح از خواص ديناميکي با الزامات ساخت نظير ميزان گوگرد ودماي پخت را به‌طور عددي تامين كرد. با توجه به جدول 4، درمقدارثابت گوگرد2.25phr تمامي مقادير سختي ديناميکي اندازه‌گيري شده مطابق استاندارد است. در تستهاي دوام نيز به اين علت که خاصيت اصلي شبکه گوگردي، به خواص پايداري محصول شبکه‌بندي‌شده، بويژه مقاومت در برابر ترک خوردگي، مربوط مي‌شود. قدرت کششي و مقاومت در برابر پارگي يک شبکه گوگردي، معمولا بهتراز شبکه غيرگوگردي است. اتصالات کوتاه الاستيک و اتصالات بلند، ميراکننده انرژي مکانيکي بوده و به‌همين علت بعد از تست دوام (درصد هزار سيکل) هيچ‌گونه پارگي در لاستيک مشاهده نشده وفقط افت ماکزيمم 28درصدي خواص مشاهده مي‌شود. منابع: 1. Blotzman-zur Theorior der Elastichen Nachwirkung Stizungber Akad Wisswein:.Mathem.NaturwiseKl.70.275-300(1874) - 2. J.D.Ferry.Visco Elastic PropertiseOF Polymer.3rded.John wiley and Sons.Inc New yorke1980 3. N.W.Tscheoegl The phenomenogical Theory of Lineary Viscoelastic Behavior Springer Verlag Berlin 1989. 4 S.L.Rosen Fundamental Principel of Polymer Materials and Wiely Inter Sience-NewYorke.1993 5. W.N Findley.J.S.Lai and K Onarn Creep and Relaxatio of Non Linear Visco elastic Materaials With an Introduction to linear, Visco elastic North Holland.New yorke ,1976 پانوشت‌ها: 1. Viscoelastics 2. Solid Like State 3. Melt 4. Vulcanizasion 5. Natural Rubber 6. Styrene Butadien Rubber 7. Copolymerمخلوط از چند پلمر 8. Scorh Time 9. Tetra Metile Turam Desolfad (TMTD) 10. Phr (Part Handred Rubber) 1 لینک به دیدگاه
ارسال های توصیه شده