В. В. ПАТУРОЕВ, д-р техн. наук, А. Н. ВОЛГУШЕВ, канд. техн. наук, В. А. ЕЛФИМОВ, инж. (НИИЖБ), Демпфирующие свойства полимербетонов
Способность материала поглощать энергию циклического деформирования (демпфирующая способность) является одной из важнейших механических характеристик, изучению которой в последнее время уделяется большое внимание. Очень часто именно это качество определяет пригодность того или иного материала для изготовления различных деталей станков и механизмов, подверженных в процессе эксплуатации динамическим воздействиям. Особое значение материалы с высокими демпфирующими свойствами приобретают сейчас, когда осуществляется интенсификация производства повышением основных параметров режима работы механизмов (скорости вращения, мощности, давления, скорости и глубины подачи резца и т. д.).
В последние годы определилось новое направление в применении полимербетона как конструкционного материала: изготовление базовых элементов станков широкого назначения — шлифовальных, фрезерных, токарных, отрезных, обрабатывающих центров и т. п. Основное преимущество полимербетонов заключается при этом в высокой демпфирующей способности, т. е. способности рассеивать энергию механических колебаний (рис. 1). В отечественной и зарубежной литературе имеются данные о демпфирующей способности многих конструкционных материалов, в первую очередь металлов, сведения об аналогичных свойствах полимербетонов практически отсутствуют.
В качестве количественной характеристики внутреннего трения и демпфирующей способности материала чаще всего используют логарифмический декремент затухания колебаний [1]
Это равенство справедливо при отсутствии частотной зависимости рассеяния энергии, как например у металлов. Для таких материалов, как пластмассы, эта зависимость справедлива лишь для р е зо и а и е ной области.
Логарифмический декремент зависит от размеров образца и как правило, возрастает с увеличением размеров сечения, что связано с различным характером распределения микронеоднородностей и напряженного состояния материала. Однако, начиная с некоторого значения, влияние размеров на рассеяние незначительно или вообще отсутствует.
По сравнению с другими механическими характеристиками установление демпфирующих свойств представляет собой сложную задачу.
В НИИЖБе для испытаний использовали измеритель частоты и затухания ИЧЗ-3410, разработанный СКБНП Института механики полимеров АН
ЛатССР (рис. 2). Прибор позволяет определять резонансную частоту при циклическом деформировании по максимуму амплитуды на цифровом индикаторе. В диапазоне 0,006...0,3 значение логарифмического декремента затухания прибор вычисляет автоматически по формуле
Для испытаний использовали образцы размером 62X40X400 мм, которые приготовляли из композиций на основе ФАЭД (фураново-эпоксидный компаунд), ЭД-20 (эпоксидная смола), ММА (метилметакрилат), серы и цемента. Для сравнения испытали образцы тех же размеров из стали (Ст. 3), древесины (сосна) и природного камня (габбро-диабаз).
Из таблицы видно, что составы полимербетонов на основе связующего ФАЭД имеют декремент затухания в 2...2,5 раза выше, чем полимербетоны на эпоксидной смоле, в 4,5...5 раз выше, чем цементный и серный бетоны, в 11...13 раз выше, чем габбро-диабаз и почти в 80 раз выше, чем сталь.
Более высокое значение декремента затухания колебаний приводит к значительному ограничению амплитуды колебаний. В диапазоне частот, отличных от резонансной, значение амплитуды для полимербетона в 5...10 раз меньше, чем для стали. При резонансной частоте амплитуда для полимербетона еще на порядок ниже.
Испытания полимербетонов ФАЭД с различной степенью наполненности позволили произвести сравнительную оценку влияния этого фактора на демпфирующую способность (рис. 3). Объемное содержание связующего в экспериментах принимали в пределах 17...26%, или 8...13% по массе. Из полученных результатов видно, что с повышением содержания связующего до 22...23% декремент затухания возрастает. При дальнейшем увеличении связующего декремент затухания снижается, т. е. имеется оптимальная зона, где декремент затухания максимален. Большое влияние на затухание колебаний в образце оказывают особенности структуры материала, в том числе вид полимерного вяжущего, его количество в структуре, внутренние напряжения, поверхность заполнителя и характер адгезионной связи, демпфирующие характеристики материала заполнителя и др. Характер зависимости б от структурных факторов приводит к немонотонному изменению декремента.
Исследованиями установлено, что полимербетоны обладают значительно более высоким декрементом затухания колебаний, чем применяемые в настоящее время в станкостроении материалы.
Однако для подтверждения этого необходимо проведение натурных испытании станин и других базовых деталей
В настоящее время из разработанных составов полимербетонов [2] изготовлена опытная партия несущих конструкций (измерительные плиты и базовые детали станков), которые проходят промышленные испытания (рис. 4).
Швейцарская фирма «Штудер» организовала серийное производство базовых деталей различных станков [3.]
Выводы
Полимербетон для базовых деталей имеет хорошие демпфирующие свойства, низкую теплопроводность, высокие механические характеристики, стабильность размеров, обладает стойкостью к действию воды и СОЖ.
Выполненные исследования и анализ зарубежных материалов подтверждают высокую эффективность применения полимербетонов в станкостроении.
Бетон и железобетон, 1988 №02