CC BY
137
ТЕХНОЛОГИЯ МАШИНОСТРОЕНИЯ
УДК 620.254.3
ВЫБОР КРИТЕРИЯ РАБОТОСПОСОБНОСТИ ПОЛИУРЕТАНОВОГО АМОРТИЗАТОРА, РАБОТАЮЩЕГО ПРИ ДИНАМИЧЕСКОМ НАГРУЖЕНИИ
Мазурин Валерий Леонидович,
аспирант кафедры «Технологические процессы и оборудование автоматизированных машиностроительных производств», e-mail: [email protected]
Приемышев Александр Владимирович, к.т.н., профессор, зав. каф. «Технологические процессы и оборудование автоматизированных
машиностроительных производств», e-mail: [email protected]
Яковлев Станислав Николаевич, к.т.н., доцент кафедры «Технологические процессы и оборудование автоматизированных
машиностроительных производств», e-mail: [email protected]
Санкт-Петербургский государственный политехнический университет. 195251, ул. Политехническая, 29, Санкт-Петербург, Россия.
Аннотация: В статье представлен анализ теплообразования в полиуретановом массиве амортизатора, работающего на сдвиг в режиме динамического нагружения.
Приведено обоснование выбора температуры полиуретанового массива амортизатора в качестве основного критерия работоспособности. Приведено описание экспериментального стенда и нагружающего устройства для исследования вопросов теплообразования и долговечности полиуретановых амортизаторов, работающих на сдвиг. Стенд позволяет моделировать простейший случай одноосного гармонического нагружения полиуретанового массива испытуемого амортизатора.
Благодаря регулируемой частоте вращения вала электродвигателя мы сможем изучать нагрев по-лиуретанового массива испытуемого амортизатора во всем интервале обычно применяемых механических частот нагружения. Стенд позволяет изучать процесс теплообразования, как функцию пяти переменных: частоты нагружения, амплитуды колебаний, величины статической деформации, коэффициента формы полиуретанового массива амортизатора и твердости полиуретана.
Ключевые слова: полиуретановый амортизатор, температура нагрева, несимметричный цикл нагружения, аддитивность, моделирование динамического нагружения, испытательный стенд.
Введение
В современном машиностроении очень актуальным является вопрос замены традиционного эластомерного материала - резины, на более совершенный полиуретан. В связи с этим очень остро встает вопрос экспериментального изучения конструкционных свойств полиуретана и разработка научно-обоснованной методики проектирования эластомерно-металлических деталей машин.
Целью данной работы является:
1). Анализ процессов теплообразования в по-лиуретановом массиве амортизатора.
2). Выбор критерия работоспособности амортизатора, работающего в режиме постоянного динамического нагружения.
3). Описание возможностей испытательного стенда и нагружающего устройства для проведения экспериментального исследования поведения полиуретанового массива амортизатора на различных режимах нагружения.
Полиуретан, как и все реальные конструкци-
онные материалы, имеет не вполне упругие свойства и поэтому согласно [1] [2] при деформировании поглощает в необратимой форме часть энергии, которая вызывает деформацию. Поглощаемая в течение каждого цикла нагружения энергия идет на нагрев деформируемой детали и в дальнейшем рассеивается в окружающую среду.
Если деформация полиуретановой детали носит эпизодический характер, то выделяемое в течение цикла деформации тепло успевает за промежуток времени между циклами нагружения амортизатора рассеяться в окружающую среду и контактирующие детали, и нагрева полиуретано-вого массива не происходит.
Если за время между циклами деформации тепло не успевает рассеяться полностью, то при последующем нагружении оно будет суммироваться, что естественно вызовет нагрев полиуре-танового массива. Повышение температуры нагрева будет очевидно происходить до тех пор, пока не наступит тепловой баланс между количе-
ством тепла, выделяемым в полиуретане за каждый цикл деформации и количеством тепла, рассеиваемым в течении этого цикла в окружающую среду.
Такое накапливание тепла и нагрев полиуретана будет иметь место в деталях, работающих в условиях динамического нагружения, в частности в амортизаторах. Повышение температуры поли-уретанового массива ускоряет протекающие в нем физико-химические процессы, ухудшающие механические свойства полиуретана. Разрушающее действие тепла согласно [3] [4] является одной из основных причин преждевременного выхода из строя полиуретанового массива деталей, работающих при динамическом нагружении.
Исходя из всего вышесказанного, можно сделать вывод: основным критерием определяющим работоспособность полиуретановых деталей машин, работающих в режиме динамического нагружения, является температура нагрева поли-уретанового массива. При достижении определенной температуры, называемой предельной, происходит разрушение полиуретанового массива и выход детали из строя.
Отсюда следует важнейшая задача, экспериментального определения зависимости температуры нагрева полиуретанового массива от условий нагружения для амортизаторов с произвольным коэффициентом формы полиуретанового массива.
Теплообразование в полиуретане зависит от его твердости и режима нагружения. Конструкция и форма полиуретановых деталей должна способствовать хорошему отводу тепла в окружающую среду и через контактирующие узлы машин. В соответствии с этим при расчетах и конструировании полиуретановых деталей машин необходи-
мо обеспечить не только получение требуемых механических характеристик полиуретановой детали, но и назначать такой режим их деформации, который обеспечивал бы температуру нагрева, ниже предельной, при которой происходит разрушение полиуретана.
Проведение расчетов и конструирование по-лиуретановых деталей машин с учетом изложенных условий может осуществляться лишь при наличии аналитических методов определения температуры нагрева, полученных экспериментальным путем. Однако до настоящего времени процесс теплообразования в полиуретане при динамическом нагружении изучен совершенно недостаточно, а практические методы расчета температуры нагрева не созданы.
Экспериментальный стенд для исследования вопросов теплообразования и долговечности
Для изучения вопросов теплообразования и усталостного разрушения полиуретановых амортизаторов, работающих на сдвиг, был спроектирован и изготовлен специальный стенд. Стенд позволяет моделировать простейший случай одноосного гармонического нагружения полиуретанового массива испытуемого амортизатора.
Полиуретановые амортизаторы при работе испытывают несимметричный цикл нагружения, представленный на рис. 1
Полупериод колебаний, обозначенный на рис.1 буквами а Ь с, соответствует деформации сдвига, при которой происходит удаление центральной пластины амортизатора от нулевого положения. Участок с ё а, соответствует деформации сдвига, при которой происходит приближение центральной пластины амортизатора к нулевому
11 т
ь
\с / со"
а 65 со со & со
г
Рис. 1 - Режим несимметричного цикла нагружения: еср- среднее значение деформации; еа - амплитудное значение деформации; емах - максимальное значение деформации; ет1И - минимальное значение
деформации; Т- период колебаний.
1 4 3 5 6 8
Рис. 2 - Кинематическая схема испытательного стенда: 1 - электродвигатель; 2,3 - полумуфты; 4 - упругий элемент; 5 - подшипник; 6 - кулачок; 7 - амортизатор; 8 - вал; 9 - корпус подшипника;
10 - основание.
положению. При этом нулевое положение соответствует среднему значению статической деформации.
Среднее значение деформации вер амортизатора, чаще всего обусловлено весом амортизируемого объекта. Для описания характеристики несимметричного цикла наряду с частотой и амплитудой переменной составляющей необходимо указывать заданное среднее значение деформации.
Величина нагрева испытуемого амортизатора очевидно в первом приближении может быть рассмотрена как результат взаимного наложения статической, не изменяющейся во времени деформации (определяющей среднее напряжение цикла) и переменной динамической нагрузки, симметричной относительно статической.
Наиболее простым предположением, которое могло бы быть принято для описания совместного действия статической и динамической нагрузок, является предположение об аддитивности их действия, то есть о том, что температура нагрева в этих условиях является суммой температур от статического и динамического (симметричного) нагружения.
Такого рода предположение в ряде случаев оказывается достаточным для количественной оценки выделяемого тепла при несимметричных циклах, когда средняя составляющая относительно невелика.
В общем случае, однако приходится считаться с тем, что статическая деформация полиуретано-вого массива согласно [5] [6] [7] переводит структуру макромолекул полиуретана в ориентированное состояние, что в свою очередь косвенно влияет на динамическую составляющую.
Кинематическая схема испытательного стенда для моделирования динамического нагружения полиуретановых амортизаторов, работающих на сдвиг представлена на рис. 2.
Испытательный стенд состоит из асинхронного электродвигателя 5АИ71 В2 мощностью Рэл. = 1,1 Квт с частотой вращения пэл=3000 об/ мин с регулируемой частотой вращения, упругой муфты и вала с кулачком, установленного на подшипниках качения. Электродвигатель и подшипники качения вала установлены на основании.
Благодаря регулируемой частоте вращения вала электродвигателя мы сможем изучать нагрев полиуретанового массива испытуемого амортизатора во всем интервале обычно применяемых механических частот нагружения. Эти частоты находятся в диапазоне от 10 до 50 Гц и обусловлены частотой вращения коленчатого вала двигателя силовой установки, для уменьшения колебаний которой и используются амортизаторы.
С помощью амортизаторов достигается значительное уменьшение динамических усилий и тем самым предупреждается возникновение усталостных поломок, то есть увеличивается долговечность машин.
Гашение колебаний основывается на превращении кинетической энергии амортизируемого объекта в тепловую энергию с последующим ее рассеиванием (диссипацией) в окружающую среду. Перевод механической энергии в тепловую осуществляется согласно [8] [9] [10] с помощью внутреннего трения (гистерезиса), обусловленного вязкостью полиуретанового массива амортизатора.
При конструировании полиуретановых амортизаторов следует учитывать тот факт, что степень деформации полиуретана существенно зависит от вида нагружения. Наибольшие деформации бывают при нагрузках, вызывающих сдвиг полиуретана, наименьшие при нагрузках, вызывающих сжатие полиуретанового массива. Вследствие этого амортизаторы сдвига обладают сравнительно небольшой грузоподъемностью, но сравнительно
большим рабочим диапазоном деформирования, в котором сохраняется линейная зависимость между величиной нагрузки, приложенной к амортизатору и соответствующей деформацией амортизатора. Данная зависимость называется характеристикой амортизатора.
Полиуретановые амортизаторы сдвига обладают сравнительно небольшой жесткостью и обычно устанавливаются сзади или спереди дви-
гателя и служат для снижения колебаний двигателя при работе на холостом ходу и номинальных оборотах. Данные амортизаторы также очень полезны для предотвращения поворота двигателя при резком переходе от тягового режима к тормозному.
Схема нагружающего устройства для испытания амортизаторов представлена на рис. 3.
На рисунке испытуемый амортизатор, закреп-
Муфта
Рис. 3 - Схема нагружающего устройства: 1 - эксцентрик; 2 - пята; 3 - амортизатор; 4 - кондуктор; 5 - направляющий винт; 6 - контр-гайка; 7 - подъемная гайка; 8 - фиксирующая гайка; 9 - основание
Рис. 4 - Профиль кулачка, моделирующий динамическое нагружение амортизатора: 1 - эксцентрик, 2- шпонка, 3- вал, 4- пята, 5- болт, 6- центральная пластина амортизатора
ленный в кондукторе с помощью болтов, изображен в свободном состоянии. Для создания статического нагружения необходимо открутить контргайки и вращая подъемные гайки поднять амортизатор на величину определенной статической деформации при которой будет проводиться очередная серия испытаний. После этого необходимо закрутить контр-гайки и измерить величину статической деформации подготовленного к испытаниям амортизатора.
Переменная динамическая нагрузка, действующая на амортизатор, моделируется с помощью вращающегося кулачка. Учитывая тот факт, что колебания происходят по гармоническому закону = А + , где А - амплитуда коле-
баний или отклонение от нулевого положения, т -угловая скорость вала, ф - начальная фаза колебаний, профиль эксцентрика точно соответствует синусоидальному закону нагружения кулачкового механизма с плоским толкателем.
Профиль эксцентрика представлен на рис. 4.
Величина эксцентриситета А кулачка соответствует величине ва - амплитудного значения деформации.
При вращении кулачка пята, выполняющая роль плоского толкателя и жестко связанная с центральной пластиной амортизатора моделирует динамическое нагружение амортизатора. Когда пята контактирует с участком а Ь с профиля кулачка происходит удаление центральной пластины амортизатора от нулевого положения и в точке Ь деформация достигает своего максимума. При дальнейшем вращении кулачка под действием упругой деформации, которая возникает в поли-уретановом массиве после приложения статической деформации, происходит приближение центральной пластины амортизатора к нулевому положению и в точке ё деформация соответствует минимальному значению.
При изготовлении сложный контур кулачка образуется как огибающая различных положений
шлифовального круга простой формы. Шлифование рабочей поверхности кулачка производилось на оптическом профилешлифовальном станке с 50-кратным увеличением. Для простоты задания координат и дальнейшего построения профиля кулачка, отвечающего синусоидальному закону перемещения плоского толкателя использовалась полярная система координат.
После шлифования кулачки, для повышения износостойкости подвергались азотации.
Для проведения экспериментального исследования были изготовлены пять кулачков с эксцентриситетом 0,5; 0,75; 1; 1,5; 2 мм. Первые три эксцентрика примерно соответствуют амплитудам наиболее распространенных механических колебаний современных двигательных установок. Остальные два служат для моделирования форсированных по амплитуде нагрузок и экспериментального определения предельных температур полиуретанового массива амортизатора, при которых происходит разрушение материала.
Заключение
Необходимо отметить следующее.
1) Проведен анализ процесса теплообразования в полиуретановом массиве амортизатора, работающего на сдвиг в режиме постоянного динамического нагружения.
2) В качестве основного критерия работоспособности амортизатора, работающего в режиме динамического нагружения, выбрана предельная температура полиуретанового массива, при которой происходит разрушение материала.
3) Приведено описание испытательного стенда для изучения процесса теплообразования в по-лиуретановом массиве амортизатора в зависимости от частоты нагружения, амплитуды колебаний и величины статической деформации. Помимо перечисленных трех переменных, на нагрев поли-уретанового массива влияет геометрия амортизатора и твердость полиуретана.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Ante Agic. Kinetic Parameters Estimation for Thermal Degradation of Polyurethane Elastomers. Journal of Elastomers and Plastics. - 2006. - № 38. - P. 105-118.
2. Gonella, L. B. New Reclaiming Process of Thermoset Polyurethane Foam and Blending with Polyam-ide-12 and Thermoplastic Polyurethane. Journal of Elastomers and Plastics. - 2009. - № 41. - P. 303-322.
3. Керча, Ю.Ю. Физическая химия полиуретанов / Ю.Ю. Керча. - Киев :Наукова думка, 1977. -224с.
4. Ратнер, С.Б. Саморазогрев пластмасс при циклическом деформировании / С.Б. Ратнер, В.И. Коробов // Механика полимеров. -1965. - № 3. - С. 93-100
5. Яковлев, С.Н. Проектирование и основы технологии деталей машин из полиуретана / С.Н. Яковлев. - СПб. : Реноме, - 2013. - 176с.
6. Sheng Li. Effect of Elastomer on Flame Retardancy, Thermal Degradation, and Mechanical Properties of Intumescent Flame-Retardant Polyethylene. Journal of Elastomers and Plastics. - 2011. - №43. - P. 257-273
7. Райт, П. Полиуретановые эластомеры / П. Райт, А. Камминг. - М. : Химия, - 1973. - 304с.
8. Раймпель, И. Шасси автомобиля. Амортизаторы, шины и колеса / И. Раймпель. - М.: Машиностроение, - 1986. - 320с.
9. Челомей, В.Н. Вибрации в технике. Справочник в 6ти томах / В.Н. Челомей - М.: Машиностроение, - 1978. - 352с.
10. Потураев, В.Н. Термомеханика эластомерных элементов конструкций при циклическом нагру-жении / В.Н. Потураев, В.И. Дырда - Киев; Наук. Думка, 1987. - 288с.
Поступило в редакцию 05 .02. 2015
PERFORMANCE CRITERION SELECTION OF POLYURETHANE DAMPER WORKING UNDER DYNAMIC LOADING
Mazurin, Valerii L.,
PhD student, e-mail: [email protected] Priemyshev, Alexsander V. , Ph.d.,, Professor, e-mail: [email protected] Yakovlev, Stanislav N. , Ph.d., Associate Professor, e-mail: [email protected]
St. Petersburg State Polytechnical University ; 195251, Politechnicheskaya St., 29, St. Petersburg, Russia
Abstract: Investigation of heat production in damper polyurethane massif working under slide in regime of dynamic load is presented in the article.
Temperature selection rationale of polyurethane massif damper as main performance criterion is presented. Description of experimental plant and loading fixture for investigation of questions of heat generation and durability ofpolyurethane damper working under slide are given. Plant provides opportunity to modulate elementary case of one ax harmonic load of polyurethane massif. Due to variable speed of motor axis we can investigate warming of damper polyurethane massif in the interval of typically used mechanical frequency of load. Plant provides opportunity to investigate the heat production as function offive parameters: load frequency, amplitude of vibration, value of static deformation, form factor of damper polyurethane massif and hardness of polyurethane.
Key words: polyurethane damper, warm temperature, asymmetric cycle of load, additivity, simulation of dynamic load, experimental plant.
REFERENCES
1. Ante Agic. Kinetic Parameters Estimation for Thermal Degradation of Polyurethane Elastomers. Journal of Elastomers and Plastics. - 2006. - № 38. - P. 105-118.
2. Gonella, L. B. New Reclaiming Process of Thermoset Polyurethane Foam and Blending with Polyam-ide-12 and Thermoplastic Polyurethane. Journal of Elastomers and Plastics. - 2009. - № 41. - P. 303-322.
3. Kercha, Yu.Yu. Fizicheskaya khimiya poliuretanov / Yu.Yu. Kercha. - Kiyev :Naukova dumka, 1977. - 224s.
4. Ratner, S.B. Samorazogrev plastmass pri tsiklicheskom deformirovanii / S.B. Ratner, V.I. Korobov // Mekhanika polimerov. -1965. - № 3. - S. 93-100
5. Yakovlev, S.N. Proyektirovaniye i osnovy tekhnologii detaley mashin iz poliuretana / S.N. Yakovlev. -SPb. : Renome, - 2013. - 176s.
6. Sheng Li. Effect of Elastomer on Flame Retardancy, Thermal Degradation, and Mechanical Properties of Intumescent Flame-Retardant Polyethylene. Journal of Elastomers and Plastics. - 2011. - №43. - P. 257-273
7. Rayt, P. Poliuretanovyye elastomery / P. Rayt, A. Kamming. - M. : Khimiya, - 1973. - 304s.
8. Raympel I. Shassi avtomobilya. Amortizatory, shiny i kolesa / I. Raympel. - M.: Mashinostroyeniye, -1986. - 320s.
9. Chelomey V.N. Vibratsii v tekhnike. Spravochnik v 6ti tomakh / V.N. Chelomey - M.: Mashinostroyeniye, - 1978. - 352s.
10. Poturayev, V.N. Termomekhanika elastomernykh elementov konstruktsiy pri tsiklicheskom nagruzhe-nii / V.N. Poturayev, V.I. Dyrda - Kiyev; Nauk. Dumka, 1987. - 288s.
Received 05 February 2015
