CC BY
9
ВЕСТНИК
ПРИАЗОВСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ТЕХНИЧЕСКОГО УНИВЕРСИТЕТА 1999г Вып. №8
УДК 62-233.16
Артюх В.Г.
УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИСПЫТАНИЯ ПРЕ ДВАРИТЕЛЬНО НАПРЯЖЕННЫХ СРЕЗНЫХ ПАЛ ЬЦЕВ
Разработано лабораторное устройство для испытания предварительно напряженных срезных пальцев. Выведена формула для определения величины предварительного напряжения, необходимого для исключения усталостного разрушения расходуемого элемента. Результаты внедрены вучебъый процесс Ш ТУ.
До настоящего времени в области защиты механического оборудования от поломок не решена проблема обеспечения усталостной прочности срезных пальцев предохранительных муфт [1]. Одним из способов повышения усталостной прочности разрушающихся элементов (РЭ) предохранительных устройств (ПУ) является их предварительное напряжение (ПН) усилием (или моментом), близким к технологическому [2,3]. В сфере механических испытаний конструкционных материалов пока не решена задача создания устройства, которое бы позволял о испытывать РЭ на усталостную прочность с различными значениями ПН.
Предварительное напряжение РЭ предохранительных устройств - это самый перспектив -ный путь повышения их усталостной прочности [4]. Г1Н позволяет изменять характер нагрузки (коэффициент асимметрии цикла) на РЭ без изменения характера нагрузок на ПУ. что в ряде случаев может полностью исключить усталостное разрушение РЭ Для этого РЭ должен пред -ставлять собой один из элементов предварительно напряженней пары (ПНП). При использовании ПНГ1 в качестве ПУ желательно иметь в этой паре набор эл ементов существенно различной жесткости, причем меньшую жесткость должен иметь элемент-, включающий в себя разрушающуюся деталь [3].
С целью проверки эффекта предварительного напряжения РЭ в лаборатории кафедры "ПГС и Сопротивление материалов" ПГТУ было спроектировано и изготовлено опытное уст -ройство для испытания предварительно напряженных срезных пальцев ПУ, в котором элементом меньшей жесткости является узел срезного пальца вместе с тарельчатыми пружинами (рис. 1). В основу разработки была поставлена задача создать устройство, при помощи которого можно было бы проводить испытания при циклических и статических видах нагружения пред -варительно напряженного образца, максимально приблизиться к деформации чистого сдвига., иметь возможность извлекать пластически деформированный палец для исследований и измерять усилие распора, возникающее при срезе образца.
Устройство включает в себя корпус 1 с опорой 3, в которых установлен с возможностью осевого перемещения пуансон 2 с запрессованными в него я корпус соосно друг другу промежуточными втулками 8 (см. рис. 1). Для упрощения изготовления устройства корпус и опора выполнены цельными и имеют кольцеобразное поперечное сечение Проемы в опоре профрезе • рованы. Опора может быть собрана и из нескольких частей. Пуансон имеет круглое поперечное сечение и устанавливается в корпус и опору по посадке с гарантированным зазором. Для запрессовки промежуточной втулки 8 на боковой поверхности пуансона сняты лыски. Эта втулка установлена в пуансоне перпендикулярно плоскости лысок. Промежуточные втулки 8 в корпусе запрессованы изнутри, чтобы избежать их выпрессовки от усилия распора в процессе срезания пальца 7.
Для создания и поддержания на определенном уровне ПН в РЭ (срезном пальце 7) в конструкцию устройства введены упругие элементы 6 (например, тарельчатые пружины), установ-
ПГТУ, канд. техн. наук, ст. преподаватель
ленные на пуансоне и расположенные между корпусом и опорой. Пуансон снабжен резьбовым концом с гайкой 14, которая позволяет фиксировать положение пуансона и связанного с ним узлом срезного пальца корпуса относительно опоры при заданной осадке пружины.
После разрушения срезного пальца 7 тарельчатые пружины 6 подбрасывают корпус 1 вверх. Для ограничения перемещения корпуса пуансон снабжен диском 4, который крепится (например, приваривается) к его верхнему торцу. С целью амортизации удара корпуса о диск на верхнем торце корпуса выполнен кольцевой паз, в который уложено амортизирующее кольцо 5 из эластомера (например, полиуретана).
020 Н9Я9
Рис. 1 - Устройство для испытания предварительно напряженных срезных пальцев.
1 - корпус; 2 - пуансон; 3 - опора; 4 - диск; 5 - кольцо амортизирующее; 6 - пружина тарельчатая; 7 - палец срезной; 8 - втулки промежуточные; 9 - юулки режущие; 10 - пробка; 11 - пластина; 12 - индикатор ИЧ-10; 13 - винт; 14 - гайка.
Срезной палец может быть выполнен гладким с целью повышения его усталостной прочности. Чтобы приблизиться к деформации чистого сдвига, необходимо свести к минимуму зазоры между втулками, срезающими палец. Для этого на палец установлены дополнительные (режущие) втулки 9, плотно поджатые друг к другу гайками. Режущие втулки 9, срезной пал ец 7 и гайки образуют узел срезного пальца, который устанавливается в устройство как единое целое по посадке с гарантированным зазором. Такая посадка позволяет легко извлекать из устройства части разрушенного срезного пальца вместе с режущими втулками. Для того, чтобы можно было извлечь пластически деформированный (но не разрушенный) палец из устройства, режущие втулки 9 и соответствующие им промежуточные втулки 8 корпуса и пуансона имеют ступенчато изменяющиеся диаметры. Для четкой фиксации узла срезного пальца в промежуточных втулках 8 на режущей вту лке 9 большего диаметра вы пол нен бурт. В устройстве может быть установлен срезной палец и без дополнительных втулок В этом случае сам палец должен иметь ступени различных диаметров.
Уровень распора, возникающий при срезе пальцев предохранительной муфты, существенно влияет на напряженное состояние, возникающее в паль це, а, следовательно, и на величину разрушающего усилия. Для оценки этого влияния необходимо точно знать величину усилия распора.
При срезе пальцев усилие распора может составлять о г 0,2 до 0,4 усилия среза [5]. Для измерения усилия распора в процессе среза в промежуточные: втулки 8 корпуса 1, снабженные
внутренней резьбой, вкручивают пробки 10. Внутри пробок установлены упругие пластины I I. воспринимающие усилие распора от срезного пальца. Деформация пластины 11 измеряется при помощи индикатора часового типа 12 (например, ИЧ-10) или датчиков омического сопротивления (тензорезиеторов), наклеиваемых на поверхность пластины 11. Такие же датчики могут быть наклеены и на боковую поверхность корпуса (базы датчиков параллельны оси срезного пальца) для измерения его деформации от усилия распора, Тензорезисторы подключаются к измерителям деформации ИД-70 или ИДЦ-1
Сборка устройства для испытания предварительно напряженных срезных пальцев осуществляется в следующем порядке. На опору 3 устанавливаются тарельчатые пружины 6 (см. рис. 1). В кольцевой паз корпуса 1 вкладывается амортизирующее кольцо 5. Корпус 1 устанавливается на пружины 6. Сверху, в отверстия корпуса 1, пружин 6 и опоры 3 устанавливается пуансон 2 с приваренным диском 4. Пуансон 2 опускается вниз до совмещения осей промежуточных втулок 8. Со стороны втулки 8 наибольшего внутреннего диаметра устанавливается узел срезного пальца в сборе до упора бурта режущей втулки 9. В проем опоры 3 заводится гайка 14 и навинчивается на резьбовый конец пуансона 2 до упора в тело опоры 3. 13 крайние промежуточные втулки вкручиваются пробки 10 до упора торцов срезного пальца 7 в упругие пластины 11. В пробки вставляются индикаторы 12 до упора в упругие пластины 11 и фиксируются винтами 13.
После проведения сборочных операций устройство представляет собой единое целое и легко транспортируется к испытательной машине.
Устройство для испытания предварительно напряженных срезных пальцев работает следующим образом. На тарировочном прессе устройство сжимают усилием ПН, Усилие передается через диск 4, пуансон 2, узел срезного пальца, корпус 1 на пружины 6. Пружины деформируются (осаживаются), и между гайкой 14 и опорой 3 появляется зазор. Этот зазор выбирают, затягивая гайку 14 до соприкосновения с опорой 3. После снятия внешней нагрузки пружины 6 остаются сжатыми. В срезном пальце 7 возникает предварительное напряжение т„ . При внешнем воздействии на такой срезной палец нагрузки с пульсирующим циклом (самым распространенным для металлургического оборудования [2,31):
Ттт=:0; Ттах=атв, (1)
где тв - предел прочности материала пальца при срезе,
а<1,0 - коэффициент, равный отношению максимального напряжения исследуемого
цикла к пределу прочности материала пальца при срезе, он будет нагружен циклом:
"^тп. ~и 1 Ттах-агв .
Это меняет коэффициент асимметрии цикла и увеличивает запас усталостной прочности срезного пальца, который можно определить по формуле ¡6]:
М
Кх
(3)
Кс) -Кр
где та - амплитуда переменной составляющей цикла;
тт - постоянная составляющая (среднее напряжение) цикла; т_1 - предел выносливости материала срезного пальца при симметричном цикле нагружения;
Кх - эффективный коэффициент концентрации напряжении,
Ка - масштабный фактор;
КР - фактор качества поверхности;
\|/т - коэффициент, учитывающий влияние асимметрии цикла напряжений на сопротивление усталости.
Для РЭ предохранителя максимальный коэффициент запаса усталостной прочности должен быть равен 1,0 [2]. Большее значение для детали, которая специально предназначена раз-
рушаться, просто нецелесообразно. В работе [7] говорится, что эта величина может быть даже меньше единицы, однако с некоторым запасом примем для дальнейших расчетов = 1,0 . Тогда из формулы [3] можно получить величину ПН, необходимого для полного исключения усталостного разрушения срезного пальца.
Переменная и постоянная составляющие цикла напряжений, действующих на предварительно напряженный РЭ, равны соответственно:
ат
В ~тп .
______+г"п
Va~~ 2 ' 2~ Тогда из формулы (3) имеем.
z-К;) • Кр i
Решая (5) относительно тп. получаем:
Кт
(4)
(5)
К,К
d"-F
а
а/г
Е!
JS*
KjK
(6)
— V(/X
d F
где (3 = —- коэффициент, устанавливающий зависимость ме:аду пределом выносливости при тв
симметричном цикле нагружения и пределом прочности материала пальца. Упрощая (6), получаем формулу необходимой величины ПН для исключения усталостного разрушения РЭ:
1--
Р
~Ч>Ч 1
KdKF
-М'т
С1Тг
(7)
Для пластичных материалов \(/т —> 0 [6]. Тогда формула (7) существенно упрощается:
тп = ТВ
а--
К,
(8)
Испытания проводились на машине ГРМ-1. Диаметр срезного пальца 20 мм. Диаметры режущих втулок 42; 40; 38 мм. Диаметры промежуточных втулок корпуса и пуансона 56 мм. Посадка промежуточных втулок в корпус и пуансон Н6/р6. Посадки пуансона в корпус и опору, режущих втулок на срезной палец и узла срезного пальца в промежуточные втулки - H9/f9. Устанавливаться в устройстве могут две или четыре тарельчатые пружины № 505 с D==200 míй; d=100 мм; t=12 мм по ГОСТ 3057-90. Режущие втулки изготовлены из инструментальной стали У7. Материал срезного пальца - сталь 20; 30; 45.
Характеристика устройства соответствует теоретической., показанной на рис. 2.
Рассмотрим пример выбора величины ПН для гладкого срезного пальца из стали 20 без термообработки с шероховатостью поверхности R^ =1,6. В связи с отсутствием концентрации напряжений Кт =1,0. Для малоуглеродистой стали \|/т=0 , следовательно, расчет будем вести по формуле (8). При dn=20 мм Kd=0,95. При шлифовании КР==0,93. Если принять а=0,8, то после подстановки в формулу (8) Р=0,3 имеем.
2-0,3-0.95-0,93
т„= 0,8
Ю
¡xB = (0,8-0,53>:в = 0,27т!
Для того, чтобы исключить усталостное разрушение срезного пальца диаметром с1п=20мм аз стали 20, необходимо создать в нем ПН тп «0,3тв.
Р„-усилие ПН; Р* - усилие раскрытия стыка межцу опорой и гайкой; Рраэр - разрушающее усилие; С - жесткость устройства; Ci , Alj - жесткость и деформация элемента 1 (пуансон); С? Л1г - жесг-кость и деформация элемента 2 (узел срезного пальца с пружинами); Д1 - осадка устройства.
Выводы
1. Использование устройства для испытания предварительно напряженных срезных пальцев позволяет при статических и циклических видах нагружения испытывать срезные пальцы, подвергнутые ПН от нуля доа"р"максимально приблизиться к деформации чистого сдвига за счет ликвидации зазоров между режущими вту лками; извлекать из устройства пластиче -ски деформированные (но не срезанные) пальцы для исследований; измерять усилие распора в процессе среза образца.
2. Выведена формула для определения величины ПН. необходимого для полного исключения усталостного разрушения РЭ.
3. Описанное устройство внедрено в учебный процесс на кафедре ПГСиСМ ПГТУ.
Перечень ссылок
1. Артюх В.Г. Повышение точности срабатывания предохранителей с разрушающимися элементами//III регион, науч.-техн. конф.: Тез. докл.- Мариуполь, 1995 .-Т.2.-С.38.
2. Артюх В.Г. Повышение усталостной прочности разрушающихся элементов предохранителей // Вестник Приазов. гос. техн. ун-та: Сб. науч. тр. - Мариуполь,, 1996 - Вып. 2. - С. 123-125.
3. Артюх В.Г. Применение предварительно напряженных пар в качестве предохранителей металлургических машин // Защита металлургических машин от поломок.-Мариуполь, 1997 -Вып.2.-С.69-89.
4. Артюх В Г. Распределение усилий в элементах предварительн о напряженной пары // 1VT регион, науч.-техн. конф.: Тез докл.- Мариуполь, 1997 .-Т.6 - С.24.
5. Жуковец А.П. Исследование распорных усилий в срезных предохранительных муфтах прокатных станов // Металлург, машиновед, и ремонт оборудонания.-М.,1978.-Вып.7 -С.69-70.
6. ИвановМ.Н. Детали машин. - М.: Высш.шк., 1991.-383 с.
7. Белодеденко C.B. Выбор рациональных параметров разрушающихся элементов предохранительных устройств // Защита металлургических машин от поломок. - Мариуполь, 1997 Вып.2.-С. 106-112.
Артюх Виктор Геннадиевич. Канд. техн. наук, старший преподаватель кафедры "Промышленное и гражданское строительство и сопротивление материалов", окончил Мариупольский металлургический институт в 1992 г. Основное направление наушных исследований - защита
металлургических машин от поломок.
