CC BY
39
В1СНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХН1ЧНОГО УН1ВЕРСИТЕТУ 2000 р. Внп.№10
УДК 669.02/. 09-03 6.074
Артюх Г.В.*
ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ ПОЛИУРЕТАНОВ В МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ
МАШИНАХ
Перспективы применения полиуретановых эластомеров в металлургических машинах увязаны с уникальными свойствами эластомеров, и,прежде всего, с их высокой энергоёмкостью и малой сжимаемостью. Отмечено, что основными объектами применения полиуретанов являются буферы, амортизаторы, демпферы, упругие муфты и валы, а также усилители и упругие шарниры.
Полиуретановые эластомеры представляют собой класс материалов с широким диапазоном механических характеристик. Производство таких материалов непрерывно растет, соответственно расширяется и сфера их применения. Мы будем рассматривать только ту область применения, которая связана с силовыми воздействиями.
Расширение сферы применения любого конструкционного материала связано с углубленным исследованием его свойств, ибо новое качество приводит к новому применению.
В последних работах по применению полиуретановых эластомеров отмечалось, что они обладают набором уникальных свойств [1,2], и это действительно так.
Начнем хотя бы с такого свойства, как удельная энергоемкость материала. Здесь можно рассматривать две характеристики [3]:
1. Удельная энергоемкость на единицу объема, то есть запас потенциальной энергии деформации в единице объема при максимально допустимом напряжении о *
(1)
где а - коэффициент качества напряженного состояния. Для одноосного растяжения или сжатия коэффициент равен а =0,5 [3].
2. Удельная энергоемкость на единицу веса, то есть запас потенциальной энергии деформации в единице веса данного материала при максимально допустимом напряжении с*
Е-у
где у - удельный вес материала.
Сравнивая по этим параметрам различные материалы, мы приходим к выводу, что наибольшей удельной энергоемкостью обладают пружинные стали и полиуретановые эластомеры. Именно эти материалы наиболее пригодны для изготовления упругих элементов различных активных деталей.
Здесь и в дальнейшем под активными будем понимать такие детали, которые влияют на величину приложенной к ним нагрузки. При таком определении активными будут наиболее энергоемкие детали, нагружаемые энергией или деформацией. Эти детали представляют собой буферы, амортизаторы, демпферы, предохранители, упругие и компенсирующие муфты, а также упругие валы. Потребность в таких элементах очень велика, в особенности для металлургических машин, отличающихся повышенной аварийностью.
При выборе материала упругого элемента указанных активных деталей следует сравнить параметры пружинных сталей и эластомеров типа полиуретанов.
Это сравнение (по формальным параметрам Ц* и Цп) дает следующие результаты.
* ПГТУ, доцент
Величины и, для полиуретанов и пружинных сталей примерно равны, а величина ит для полиуретанов в 3...5 раз больше, чем для пружинных сталей, что делает особенно привлекательным применение полиуретанов для активных деталей транспортных машин [4].
Отметим, что сравнение удельных энергоемкостей проведено при равном качестве напряженного состояния, что почти никогда не выполняется.
Пружинные стали и полиуретаны настолько разные материалы по жесткости, что форма упругих элементов и их напряженное состояние совершенно различны.
Для полиуретанов (и других эластомеров) наиболее приемлемыми деформациями являются такие "жесткие деформации", как сжатие, растяжение, сдвиг. Для пружинных сталей более подходят изгиб и кручение. В последнем случае практически невозможно обеспечить равномерность напряжений, поэтому коэффициенты качества напряженного состояния будут значительно ниже, чем для полиуретанов. Другими словами, полиуретановые упругие элементы по энергоемкости безусловно превосходят стальные.
Отметим еще одно качество активных деталей, совершенно необходимое для них - способность не только поглощать энергию, но и рассеивать ее, то есть превращать в другие виды энергии.
В связи с этим возникают дополнительные требования и к материалам упругих элементов—желательно, чтобы они обладали большим внутренним трением. Полиуретаны отвечают этим требованиям - необратимое рассеяние энергии за один цикл нагружения находится в пределах 20... 60 %.
Пружинные стали имеют рассеяние энергии на 3...4 порядка меньше—столь незначительной величиной обычно пренебрегают. Именно поэтому в пружинных буферах (например, в поглощающих аппаратах ж/д вагонов) рассеяние энергии происходит на специально предусмотренных элементах внешнего трения, что, конечно, усложняет конструкцию буфера.
Итак, три основных свойства эластомеров—высокая энергоемкость, малая жесткость и большое внутреннее трение—являются определяющими для применения их в качестве материалов для активных деталей.
Отметим еще одно направление использования эластомеров (в том числе и полиуретано-вых) - это применение их в качестве передающей усилие среды в устройствах, аналогичных по принципу действия гидравлическим.
Это съемники, домкраты, усилители, редукторы, предохранители и другие устройства.
Основным свойством, определяющим это направление применения полиуретанов, является малая сжимаемость эластомеров. Так, например, весьма распространенные в настоящее время марки полиуретанов СКУ-ПФЛ-100 и СКУ-ПФЛ-70 имеют объемный модуль упругости К » 3000 МПа. Это в полтора раза больше, чем у "несжимаемых" жидкостей, и это в сотни раз больше, чем продольный модуль упругости при осевом сжатии. Именно поэтому эластомеры при деформации их в замкнутом объеме ведут себя подобно жидкостям, то есть передают давление одинаково во всех направлениях. На этом принципе основано действие предохранителя с кольцевым разрушающимся элементом-. Это устройство помещается в прокатной клети между нажимным винтом и подушкой рабочего валка [5].
Оно содержит рабочую полость, образованную плоским днищем, пуансоном и разрушаемым кольцом, заполненную полиуретановым эластомером. Рабочее усилие через пуансон прикладывается к заполнителю в осевом направлении и через полиуретан передается в радиальном направлении на стенки стального кольца, разрушаемого при определенной величине давления.
Имеются и предохранители других типов [6, 7], использующие полиуретановые эластомеры как передающую среду. Один из них—экструзионный, в котором сжимаемый в осевом направлении эластомер продавливается через специальные отверстия-фильеры в стенках стального бокса.
Другой—предохранитель со срезной пластиной—использует сжимаемый в осевом направлении полиуретан для передачи на разрушаемый элемент (РЭ) не всего, а только части общего усилия нагружения (например, 1 % от общего усилия). Это позволяет уменьшить размеры РЭ и тем самым повысить его усталостную прочность и экономичность защиты.
Таких устройств может быть создано много. Они просты по конструкционному исполнению и в эксплуатации, по сравнению с гидравлическими более надежны, так как не требуют уплотнений. Эти устройства компактны и обладают большой энергоемкостью. Они могут использоваться как усилители к прессам, домкратам, съемникам и другим подобным устройствам.
Выводы
Объём использования полиуретановых эластомеров в металлургических машинах может быть существенно увеличен. При этом могут быть созданы уникальные устройства и приспособления, повышающие надёжность металлургического оборудования. Это предохранители, демпферы, упругие и компенсирующие муфты и валы, редукторы, усилители, шарниры и другие устройства.
Перечень ссылок
1. Артюх Г.В. Особенности применения эластомеров для снижения динамических нагрузок в металлургических машинах // Защита металлургических машин от поломок. - Мариуполь, 1997. - Вып.2. - С. 155-158.
2. Артюх Г.В. К вопросу определения коэффициента Пуассона // Защита металлургических машин от поломок. - Мариуполь, 1998. - Вып.З. - С. 177-185.
3. Артюх Г.В. Энергоемкость полиуретановых амортизаторов // Защита металлургических машин от поломок. - Мариуполь, 1999. - Вып.4. - С. 166-172.
4. Артюх Г.В. Амортизация нагрузок в металлургических машинах // Защита металлургических машин от поломок. - Мариуполь, 1999. - Вып.4. - С. 160-165.
5. Артюх Г.В., Артюх В.Г. К расчету предохранителей с разрывными кольцами // Защита металлургических машин от поломок. - Мариуполь, 1997. - Вып.2. - С. 132-145.
6. Артюх В.Г. Экструзионные предохранительные устройства с заполнителем-эластомером // Защита металлургических машин от поломок. - Мариуполь, 1998. - Вып.З. - С. 98-109.
7. Артюх В.Г Расчет и испытания предохранительного устройства со срезной пластиной // Защита металлургических машин от поломок. - Мариуполь, 1998. - Вып.З. - С. 92-97.
Артюх Геннадий Васильевич. Доцент кафедры "ПГС и Сопротивление материалов" ПГТУ, окончил Мариупольский металлургический институт в 1964 году. Основное направление научных исследований—защита машин от поломок.
