CC BY
14
УДК 621.771.06
Артюх В. Г.
ПРЕДВАРИТЕЛЬНО НАПРЯЖЕННАЯ ПАРА КАК ЭЛЕМЕНТ ПРЕДОХРАНИТЕЛЬНОГО УСТРОЙСТВА
Мысль о предварительном напряжении конструкций зародилась уже давно. Она заключалась в стремлении создать в материале такое искусственное напряженное состояние, которое повышает в конструкции сопротивление внешним силам. Таким образом достигается особое напряженное состояние, которое само по себе в природе не встречается [1]. Однако предварительному напряжению подвергались лишь строительные металлические и железобетонные конструкции, в которых в процессе изготовления или монтажа искусственно создавались напряжения, преимущественно противоположные по знаку напряжениям от расчетной нагрузки, или перераспределялись усилия с целью более рационального использования несущей способности конструкции [2].
При создании в конструкции до ее загружения предварительного напряжения ст0, обратного по знаку напряжениям от рабочей нагрузки, протяженность упругой работы материала увеличивается. Сначала погашаются предварительные напряжения ст0, а затем материал работает на свое основное
напряжение до величины расчетного сопротивления [3].
В данной работе предпринята попытка применить идею предварительного напряжения для повышения надежности устройств, защищающих металлургические машины от перегрузок и поломок.
Чаще всего на практике для защиты металлургического оборудования от поломок применяются предохранители с разрушающимися элементами, т. к. именно они отличаются простотой и технологичностью. К этим предохранительным устройствам предъявляются весьма специфические требования. Важнейшим из них является стабильность величины выключающей нагрузки. Она зависит от многих факторов, важнейшим из которых является снижение прочности разрушаемых элементов из-за усталостных явлений [4].
Известны несколько путей повышения усталостной прочности: профилактическая замена предохранительной детали после нескольких дней эксплуатации, уменьшение концентрации напряжений, улучшение качества поверхности, подбор соответствующего материала. Однако самым перспективным является путь изменения нагрузки (коэффициента асимметрии цикла нагружения) на предохранительном элементе. Это возможно в случае, если предохранительное устройство включает в себя предварительно напряженную пару (ПНП), одним из элементов которой является разрушаемый элемент (РЭ).
ПНП - это узел, состоящий как минимум из двух элементов, предварительно нагруженных одинаковыми по величине и обратными по знаку усилиями причем эти усилия замкнуты внутри пары. Предварительная напряженность может быть рассмотрена как состояние, в котором находится конструкция до ее нагружения в условиях эксплуатации. Такое напряженное состояние может существенно влиять на прочность и жесткость конструкции.
Элементы ПНП взаимно нагружены одинаковым усилием, которое назовем усилием предварительного нагружения Р0 =Р1 =Р2. Жесткости элементов
равны соответственно С( и С2. Элемент большей жесткости обозначим 1, элемент меньшей жесткости - цифрой 2» т. е. Сг > С2.
Рассмотрим четыре варианта нагружения ПНП. Внешнее усилие может быть приложено к каждому из элементов ПНП, причем в двух направлениях:
a) в направлении, совпадающем с имеющейся предварительной нагрузкой - обозначение "+" (1+ и 2+);
b) в направлении, противоположном имеющейся предварительной нагрузке - обозначение "-" (Г и 2").
Тогда варианты Г и Т дают линейную характеристику ПНП с жесткостью С = С! + Сз. Изменение суммарной характеристики возможно только с
изменением характеристики одного из элементов (раскрытия стыка между элементами ПНП не происходит). Элемент может изменить характеристику только при появлении пластической деформации или при разрушении. Именно такая схема нагружения применяется в предварительно напряженных строительных металлических и железобетонных конструкциях.
Для предохранительных устройств эти варианты не дают никаких преимуществ по сравнению с ненапряженными конструкциями. Гораздо интереснее варианты Г и 2+. Они дают ломаную характеристику, приближающуюся к характеристике идеального предохранителя. Рассмотрим эти варианты в отдельности.
Предположим, что элемент 1 растянут, а элемент 2 - сжат. Вариант 2+ означает, что внешнее усилие приложено к сжатому элементу в сторону еще большего сжатия (рис. 1, а).
р ей / 2+ "
/о С ЖАТ ^ С
Ро 1. с/ Д РАСТЙ*.£миЕ
б)
Рис. 1. Характеристики ПНП: а) варианты нагружения 2+ и 2 ; б) варианты нагружения Г и Г .
А1, Д12 X
с р*
- предварительная деформация элемента 1;
- предварительная деформация элемента 2;
- деформация ПНП;
- жесткость ПНП;
- усилие раскрытия стыка.
Жесткости элементов:
; С2=А-
А1|
Д1,
0)
Если графически сложить эти прямые на длине Д1,, то получим суммарную жесткость:
1
Д1, Д12
= Ро-
А1!+А12 Д1ГД12
(2)
Принагружеииивнешней силой 0<Р<Р* ПНП имеет линейную характеристику с жесткостью С = С, +С2. При этом
Р'-Р.-^. (3)
ч
Если внешняя нагрузка Р > Р*, то стык раскрывается и С = С2.
Вариант Г означает, что внешнее усилие приложено к растянутому элементу в сторону еще большего растяжения (рис. 1, б). Характеристика жесткости в этом случае - тоже ломаная, однако излом не так явно выражен. На участке О < Р < Р" ПНП также имеет линейную характеристику с жесткостью С = С[ + С2. Однако
Р^Р»"2^, (4)
и если Р > Р*, то С = С,.
Различие между суммарной жесткостью С в интервале нагрузок о<Р<Р" и жесткостью ПНП при Р>Р* ярче выражено для варианта 2+, т. к. С, > С2. Поэтому с точки зрения использования ПНП в предохранительных
устройствах вариант Т является наиболее выгодным.
При использовании ПНП в качестве предохранителя желательно иметь в этой паре набор элементов существенно различной жесткости (С^ >>С2).
Внешнее усилие должно быть приложено к элементу меньшей жесткости, включающему в себя предохранительный (например, разрушаемый) элемент. При внешнем воздействии пульсирующей силой О < Р < Р* усилие на РЭ будет изменяться всего лишь в пределах
Р0<Ррз<Р0+Р—. (5)
рз- 0 С, +С2 '
Рис. 2. Схема нагружения предохранителя с ПНП циклической нагрузкой.
I - время; Рр - разрушающее усилие; 1 - внешний цикл нагрузок, действующий на ПНП; 2 - цикл нагрузок на РЭ предохранителя.
Работа ПНП при нагружении ее циклической нагрузкой с коэффициентом асимметрии цикла г = 0 представлена на рис. 2. Начиная с Р > Р*, совпадают максимальные нагрузки на ПНП в целом и на РЭ. Однако минимальные нагрузки у них различны - для РЭ минимальная нагрузка равна Р0, а для ПНП
она равна нулю. Поэтому коэффициент асимметрии цикла существенно изменяется и может достигать величины 0,8...0,9.
При этом долговечность РЭ (число циклов нагружения до разрушения) повышается во много раз, а в ряде случаев усталостное разрушение РЭ можно полностью исключить [5].
Работа реальных предварительно напряженных конструкций в производственных условиях изучена недостаточно. Это относится к изменению жест-костей отдельных элементов и усилия затяжки в условиях циклического нагру-
жения и отдельных перегрузок. Поэтому проектированию таких устройств должна предшествовать экспериментальная проверка, хотя бы на моделях в лабораторных условиях.
ВЫВОДЫ
1. Существенного повышения усталостной прочности РЭ можно добиться только в том случае, если элемент ПНП, включающий РЭ, имеет гораздо меньшую жесткость, чем другой ее элемент. Для этого последовательно с РЭ может подключаться пружина. Указанным требованиям лучше всего соответствует
вариант нагружения 2+, т. е. внешнее усилие должно быть приложено к элементу меньшей жесткости в сторону увеличения имеющегося предварительного усилия.
2. Зная нагрузочную диаграмму (например, осциллограмму) для механизма, всегда можно построить диаграмму нагрузок для РЭ, откуда можно получить оптимальную величину предварительной затяжки.
Перечень ссылок
1. Честелли-Гуиди К. Предварительно напряженный железобетон: Пер. с итал.-М.: Стройиздат, 1960,- 470 с.
2. Прогрессивные металлические конструкции для промышленного строительства / Лабзенко В. К, Фролов Р. С. и др.-М.: Стройиздат, 1963.-184 с.
3. Металлические конструкции: специальный курс / Под ред. Стрелецкого Н. С.-М.: Стройиздат, 1965. - 368 с.
4. Артюх В. Г. Повышение точности срабатывания предохранителей с разрушающимися элементами // III регион, науч.-техн. конф.: Тез. докл. -Мариуполь, 1995,- Т. 2. - С. 38.
5. Артюх В. Г. Повышение усталостной прочности разрушающихся элементов предохранителей // Вестник Приазовского гостехуниверситета. -1996,-№2. - С. 123 - 125.
й
