BADANIA FUNDAMENTOWYCH ZŁĄCZY ŚRUBOWYCH MASZYN

MODELOWANIE INŻYNIERSKIE nr 56, ISSN 1896-771X
BADANIA FUNDAMENTOWYCH ZŁĄCZY
ŚRUBOWYCH MASZYN PRZY STAŁYM
OBCIĄŻENIU NORMALNYM I ZMIENNYCH
OBCIĄŻENIACH STYCZNYCH
Część II. Złącze śrubowe z podkładką z tworzywa
Paweł Grudziński
Katedra Mechaniki i Podstaw Konstrukcji Maszyn, Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny w Szczecinie, [email protected]
Streszczenie
Praca przedstawia część II opisu i wyników doświadczalnych badań odkształceń, przemieszczeń, tarcia
i tłumienia, występujących w fundamentowych złączach śrubowych ciężkich maszyn i urządzeń, posadowionych w sposób sztywny na fundamentach. W tej części pracy przedstawiono opis i wyniki badań doświadczalnych, wykonanych dla fundamentowego złącza śrubowego z podkładką odlaną z tworzywa polimerowego
(EPY). Następnie przeprowadzono analizę porównawczą wyników pomiarów, uzyskanych dla obydwóch badanych złączy śrubowych i wykazano, dlaczego podkładki fundamentowe odlewane z tworzywa spełniają swoje
zadania techniczne lepiej niż podkładki stalowe. W zakończeniu sformułowano wnioski o istotnym znaczeniu
dla modelowania fundamentowych złączy śrubowych i praktyki inżynierskiej.
Słowa kluczowe: maszyny, urządzenia, fundamentowe złącza śrubowe, podkładki z tworzywa
INVESTIGATIONS OF THE FOUNDATION BOLTED
JOINTS OF NACHINERY UNDER A FIXED NORMAL
LOAD AND VARYING TANGENTIAL LOADINGS
Part II. Bolted joint with a cast resin chock
Summary
This paper presents Part II of the description and results of the experimental studies of deformations,
displacements, friction and structural damping occurring in the foundation bolted joints of machinery seated
in a rigid manner on the foundations. In Part I, it has been shown that the term "rigid mounting", used in relation to the machinery seated on the foundations makes sense purely conventional, and is a big simplification. Experimental studies, made in Part I for the bolted joint with a steel chock (traditionally used for this
purpose) showed that there are some complex physical phenomena, which have a significant impact not only on
the behavior of these joints, but also on the dynamics, reliability and durability of the entire mechanical system in which they appear. In Part II of this paper is a description and the results of similar experiments, carried out for the foundation bolted joint with a modern chock - cast from a resin compound (EPY). Then,
a comparative analysis was carried out of the measurement results obtained for both bolted joints examined
and demonstrated why the foundation chocks cast of resin better fulfill their technical tasks than the steel
chocks conventionally used for this purpose. At the end conclusions were formulated, which are essential
for modeling of the foundation bolted joints and engineering practice.
Keywords: machines, devices, seating, foundation bolted joints, resin chocks
28
Paweł Grudziński
1. OBIEKT I METODA BADAŃ
2. REALIZACJA BADAŃ I WYNIKI
Do badań porównawczych przyjęto model fundamentowego złącza śrubowego z podkładką odlaną z
tworzywa polimerowego, oznaczonego symbolem
firmowym EPY. Schemat i widok tego złącza pokazano na rys. 1. Wymiary elementów łączonych i podkładki były identyczne jak we wcześniej badanym
modelu złącza z podkładką stalową [1].
Podobnie jak we wcześniejszych badaniach układu
z podkładką stalową wykonano trzy eksperymenty,
przy uwzględnieniu różnych warunków obciążeń
i przemieszczeń, występujących w praktyce. W eksperymencie nr 1 zastosowano nieco inny przebieg obciążeń, niż dla układu z podkładką stalową. Zastosowanie
tego samego przebiegu obciążeń nie było możliwe,
ponieważ złącze to, z podkładką z tworzywa, zachowywało się zupełnie inaczej, niż badane wcześniej
złącze z podkładką stalową. Przyjęto takie warunki
badań, które uwidoczniły wyraźnie jakościowe i ilościowe różnice w zachowaniu się obydwóch badanych
złączy. W dwóch pozostałych eksperymentach przebiegi obciążeń i warunki badań były identyczne.
2.1 EKSPERYMENT NR 1
Badania wykonano przy liniowo narastających i
malejących obciążeniach T, stycznych do łączonych
powierzchni. Obciążenia te zmieniały się według
trójkątów równoramiennych, o narastającej stopniowo
wysokości. Działały one w dwie stron, powodując na
przemian rozciąganie i ściskanie danego złącza. Mierzone przy tym były w sposób ciągły przemieszczenia
styczne łączonych elementów (w punktach 1 i 2 oraz 3
i 4, rys. 1a). Przebieg i wyniki tego eksperymentu
przedstawiono graficznie na rys. 2.
Mechanizm występowania w tym układzie przemieszczeń względnych δt elementów łączonych objaśnia
rys. 3. W tym wypadku przemieszczenia względne δt
elementów łączonych, mierzone w punktach 1 i 2,
są w całości efektem odkształceń postaciowych (γt i γs)
materiału elementów łączonych, a przede wszystkim
podkładki z tworzywa.
Z badań wynika (rys. 2), że występuje wyraźnie liniowo-sprężysta zależność między obciążeniem T
i przemieszczeniem względnym δt elementów łączonych. Nie ma tutaj przemieszczeń „plastycznych”
(mikropoślizgów) pomimo tego, że maksymalne obciążenie styczne jest w tym wypadku ponadtrzykrotnie
większe od maksymalnego obciążenia badanego wcześniej złącza z podkładką stalową [1].
Rys. 1. Model fundamentowego złącza śrubowego z podkładką odlaną z tworzywa EPY: a) schemat z oznaczonymi
punktami do pomiaru względnych przemieszczeń stycznych,
b) widok ogólny złącza
Podkładkę z tworzywa odlano na gotowo w przyjętym do badań układzie łączonych elementów po
obudowaniu go odpowiednią formą, wykonaną z blachy
oraz pianki poliuretanowej. Zachowano przy tym takie
zasady i warunki, jakie stosuje się w praktycznym
posadawianiu maszyn. Szczegółowo opisano je
w sprawozdaniu z realizacji projektu badawczego [2].
Istotną rzeczą w przygotowaniu tego złącza do badań było to, żeby powierzchnie styku odlanej podkładki i elementów łączonych przed badaniami nie uległy
rozłączeniu ani też przesunięciu względem siebie.
Odlana w ten sposób podkładka z tworzywa dopasowuje się samoczynnie ściśle do mikro- i makronierówności metalowych powierzchni elementów łączonych.
Rzeczywista powierzchnia styku jest w tym wypadku
równa nominalnej powierzchni styku, a nawet nieco
większa od niej, jeżeli uwzględni się nierówności łączonych powierzchni (rys. 1a). Zapewnia to ciągłość
rozkładu nacisków również w skali mikroskopowej,
oraz dobre przenoszenie sił stycznych.
W razie rozłączenia tych powierzchni i ponownego
ich złączenia, nawet bardzo starannego, warunki
kontaktu ulegają pewnym zmianom. Dlatego też obiekt
posadowiony na podkładkach odlanych z tworzywa, po
jego minimalnym nawet przemieszczeniu względem
fundamentu, musi mieć podkładki zmienione na nowe.
29
BADANIA FUNDAMENTOWYCH ZŁĄCZY ŚRUBOWYCH MASZYN... CZ. II
Należy wyraźnie zaznaczyć, że podkładka z tworzywa
nie została przyklejona do łączonych elementów stalowych. Powierzchnie tych elementów oraz formy odlewniczej pokryte zostały cienką warstwą środka antyadhezyjnego (ACMOS 70 2406, stosowanego w praktyce) i można je łatwo rozdzielić. Przykładane obciążenia
styczne przenoszone są w całości przez siły tarcia
spoczynkowego (bez występowania zauważalnych
odkształceń kontaktowych i mikropoślizgów). Dzięki
dokładnemu przyleganiu tworzywa do mikronierówności powierzchni metalowych uzyskuje się bardzo dużą
wartość współczynnika tarcia. W rozważanym przypadku współczynnik ten osiągnął wartość µt = 0,8,
przy czym nie była to jego wartość graniczna. Przy tej
wartości współczynnika tarcia, przekraczającej ponad
3-krotnie graniczną wartości współczynnika tarcia
występującego w badanym wcześniej złączu z podkładką stalową, układ zachowuje się liniowo-sprężyście
(rys. 2). Większego obciążania badanego układu nie
stosowano z obawy na możliwość uszkodzenia ekstensometrów przy wystąpieniu gwałtownego zerwania
połączenia ciernego.
Rys. 2. Przebieg i wyniki eksperymentu nr 1: a) czasowy
przebieg siły T i przemieszczeń względnych δt punktów 1 i 2,
b) współzależność przemieszczeń δt i średnich naprężeń
stycznych τ działających na podkładkę
2.2 EKSPERYMENT NR 2
W eksperymencie tym badano zachowanie się
układu przy wymuszeniach cyklicznych. Schemat
badanego układu oraz założone przemieszczenia
względne δt elementów łączonych (w punktach 1 i 2),
przedstawiono na rys. 4.
Badany układ poddany został wymuszeniom sinusoidalnym, o różnych amplitudach, wynoszących 1, 2,5
, 5, 10 i 15 µm. Realizacja tych przemieszczeń sterowana była za pomocą ekstensometru 1, pokazanego
w części I, na rys. 3. Pomiary względnych przemieszczeń dokonywano także między punktami 3 i 4, znajdującymi się na linii działania siły T, w znacznej
odległości od siebie (l = 150 mm). Wyniki tego eksperymentu (dla punktów 1 i 2) przedstawione zostały
na rys. 4. Otrzymane wyniki badań pokazują bardzo
wyraźnie, że badane złącze z podkładką odlaną
z tworzywa zachowuje się liniowo-sprężyście. Widać
to szczególnie na rys. 4d. Występujące tutaj pętle
histerezy są niewielkie i mają kształt mocno spłaszczonych elips. Obrazują one tłumienie wiskotyczne,
występujące w materiale podkładki z tworzywa.
Ponieważ w złączu tym nie występują mikropoślizgi,
to nie ma też tłumienia konstrukcyjnego.
Na podstawie tych badań łatwo można wyznaczyć
moduł ścinania Gt oraz współczynnik strat η
dla podkładki z tworzywa, Na rys. 5 przedstawiono
pojedynczą pętlę histerezy dla maksymalnej amplitudy
przemieszczeń względnych elementów łączonych
i oznaczono wielkości W i U, potrzebne do wyznaczenia współczynnika strat η.
Rys. 3. Schemat obciążenia i odkształcenia badanego złącza
z podkładką z tworzywa
Ponieważ obciążenie zewnętrzne T równoważone
jest w każdej chwili przez siły tarcia, występujące na
powierzchniach styku łączonych elementów z podkładką z tworzywa, wykres przedstawiony na rys. 2b
obrazuje również zależność siły tarcia od przemieszczeń
względnych tych elementów (mierzonych w punktach 1
i 2). W tym wypadku tarcie jest proporcjonalne do
względnych przemieszczeń stycznych δt łączonych ze
sobą elementów, będących efektem ich odkształceń
postaciowych (rys. 3). Ponieważ nie ma tutaj mikroposlizgów w połączeniach stykowych, nie ma też tłumienia konstrukcyjnego. Występujące tutaj pętle histerezy
są niewielkie i mogą być dobrze aproksymowane ostro
zakończonymi elipsami. Obrazują one tłumienie
wiskotyczne występujące w materiale podkładki
wykonanej z tworzywa.
30
Paweł Grudziński
Rys. 4. Badany układ: a) schemat i wyniki eksperymentu nr 2, b) czasowy przebieg zrealizowanych przez maszynę wytrzymałościową przemieszczeń względnych δt elementów łączonych (mierzonych w punktach 1 i 2), c) czasowy przebieg siły T realizującej te przemieszczenia, d) pętle histerezy
τ
δt
ai
W
–
–
h–
–
U –
Dla badanej podkładki z tworzywa EPY, przy zadanych naciskach normalnych (p = 8,69 MPa) i warunkach obciążeń jak na rys. 5, otrzymano: Gt = 2511
MPa, η = 0,0245. Wartości te są w dobrej zgodności
z wartościami wyznaczonymi wcześniej za pomocą
wahadła skrętnego [5].
Rys. 5. Pętla histerezy dla maksymalnej amplitudy przemieszczeń względnych punktów 1 i 2 elementów łączonych
i graficzne oznaczenia wielkości W i U
Na podstawie rys. 3 i 5, korzystając z prostych zależności znanych z wytrzymałości materiałów [3]
oraz tłumienia drgań [4], można wyznaczyć modułu
ścinania Gt oraz współczynnika strat η dla podkładki
z tworzywa
‫ܩ‬௧ =
ఛ௛
ఋ೟ ିଶ
ߟ=
ഓ
௔
ಸೞ
ௐ
ଶగ௎
naprężenie styczne (rys. 5),
przemieszczenie względne (rys. 5),
wymiary zaznaczone na rys. 3,
energia rozproszona w jednym cyklu, odniesiona
do jednostki objętości,
energia potencjalna odkształcenia sprężystego,
odpowiadająca maksymalnemu odkształceniu,
odniesiona do jednostki objętości.
2.3 EKSPERYMENT NR 3
W eksperymencie nr 3 badane złącze poddane zostało drganiom wymuszonym kinematycznie przez
głowicę maszyny wytrzymałościowej. Drgania te
(przemieszczenia głowicy s(t)) miały przebiegi sinusoidalne, a ich amplitudy wynosiły odpowiednio 25, 50,
75 i 100 µm. Wyniki tego eksperymentu przedstawiono
na rys. 6.
Eksperyment ten wykazał, że istnieją bardzo proste
liniowo-sprężyste zależności między wszystkimi badanymi wielkościami. W złączu ponownie nie zaobserwowano mikropoślizgów. Tłumienie jest niewielkie,
występuje w tworzywie i ma charakter wiskotyczny.
(1)
(2)
gdzie:
Gt –
moduł odkształcenia postaciowego tworzywa
EPY,
Gs – moduł
odkształcenia
postaciowego
stali:
Gs = 8,1·104 N/mm2,
31
BADANIA FUNDAMENTOWYCH ZŁĄCZY ŚRUBOWYCH MASZYN... CZ. II
Rys. 6. Wyniki eksperymentu nr 3: a) czasowy przebieg wymuszeń kinematycznych s(t) zrealizowanych przez głowicę maszyny
wytrzymałościowej, b) czasowy przebieg przemieszczeń względnych elementów łączonych δt, mierzonych w punktach 1 i 2, c)
czasowy przebieg siły T(t) realizującej zadane przemieszczenia s(t), d) pętle histerezy wyznaczone dla przemieszczeń mierzonych
w punktach 1 i 2
3. PODSUMOWANIE
W złączach śrubowych z podkładką z tworzywa
polimerowego,
nawet przy obciążeniach dużo (3krotnie) większych niż obciążenia graniczne dla złączy
z podkładką stalową, nie ma mechanizmów powodujących degradację połączeń stykowych ani też materiału
podkładki i elementów łączonych. Zapewniają one
dobrą stabilną pracę, dużą niezawodność i trwałość
posadowionym obiektom, bez potrzeby stosowania
ciągłego i uciążliwego ich nadzoru. Są one też odporne
na korozję i działanie czynników atmosferycznych
oraz agresywnych substancji chemicznych. Ma to duże
znaczenie praktyczne. Złącza te mają liniowo-sprężyste
charakterystyki odkształceń, a występujące w nich
tłumienie ma charakter wiskotyczny. Dzięki temu są
one łatwe do modelowania i analizy teoretycznej.
Podsumowując wyniki badań, można stwierdzić,
że w fundamentowych złączach śrubowych z podkładką stalową decydujące znaczenie mają nie jej własności
mechaniczne, tj. wytrzymałość i sztywność, które są
dużo większe niż dla tworzywa, ale kontaktowe zjawiska fizyczne, występujące w połączeniach stykowych
podkładki z fundamentem i podstawą maszyny.
Przy większych wymuszeniach cyklicznych (drganiach), w kierunkach stycznych do powierzchni kontaktowych, istnieją duże potencjalne możliwości występowania w nich pewnych procesów destrukcyjnych.
Połączenia te absorbują znaczną część energii drgań,
transmitowanej przez te złącza do fundamentu
i zamieniają ją na pracę niszczenia (zużywanie się)
łączonych powierzchni. Efektem tego jest luzowanie się
złączy, wzrost drgań i w najgorszym wypadku ich
zniszczenie. Może przy tym też wystąpić rozregulowanie się ustawienia całego układu, doprowadzające
w efekcie do szybszego zużywania się wielu części
oraz sytuacji awaryjnych - zatarcia łożysk, a nawet
pęknięcia wału korbowego. Zjawiska kontaktowe
powodują, że w połączeniach tych występują znaczne
nieliniowości i niejednoznaczności między siłami
i przemieszczeniami stycznymi. Układy te są trudne do
modelowania i analizy teoretycznej.
32
Paweł Grudziński
2. W rzeczywistych fundamentowych złączach śrubowych maszyn występują wyraźne i dobrze mierzalne
zjawiska fizyczne (odkształcenia, mikropoślizgi, tarcie
i tłumienie konstrukcyjne), które mają istotny wpływ
nie tylko na zachowanie się samych złączy śrubowych,
ale często także na drgania, niezawodność i trwałość
całych układów mechanicznych, w których one występują. Zjawiska te, wyznaczone dla złącza z podkładką
stalową i odlaną z tworzywa, różnią się w sposób
istotny, zarówno pod względem jakościowym jak
i ilościowym.
Rys. 7. Porównanie charakterystyk obrazujących relacje
między siłą tarcia (f =τ/p=T/N) i przemieszczeniem
stycznym dla badanych złączy śrubowych z podkładka
stalową (krzywa 1) oraz odlaną z tworzywa (prosta 2)
3. Bez dokładnego poznania tych zjawisk fizycznych
nie można dzisiaj należycie zrozumieć, stawiać i rozwiązywać problemów, mających na celu zmniejszenie
poziomu wibracji i hałasu oraz podwyższenie niezawodności i trwałości maszyn i urządzeń posadawianych
na fundamentach
4. WNIOSKI KOŃCOWE
1. Wykonane badania doświadczalne wykazały,
że fundamentowe złącza śrubowe maszyn i urządzeń,
zarówno z podkładkami stalowymi jak i odlewanymi
z tworzywa, zaliczane powszechnie do połączeń sztywnych, nie powinny być traktowane jako połączenia
doskonale sztywne. Stanowi to bowiem duże uproszczenie, które ma poważne skutki o znaczeniu teoretycznym i praktycznym.
4. Dużą praktyczną zaletą stosowania podkładek
z tworzywa, oprócz ich walorów technicznoużytkowych, jest łatwość ich wykonania w dowolnym
miejscu, natomiast pewną ich wadą jest to, że są one
tylko jednorazowego użytku.
Literatura
1.
Grudziński P.: Badania fundamentowych
złączy śrubowych maszyn przy stałym obciążeniu normalnym
i zmiennych obciążeniach stycznych. Część I. Złącze śrubowe z podkładką stalową. „Modelowanie Inżynierskie” 2015, nr 56 s 19-27.
2.
Grudziński P.: Badania wibroizolacyjnych właściwości tworzywa EPY oraz możliwości jego wykorzystania
do redukcji drgań i izolacji dźwięków materiałowych. Sprawozdanie merytoryczne z wykonania projektu
badawczego nr N N502 194938. Szczecin: ZUT, Kat. Mech. i PKM, 2013 (niepubl.)
3.
Zielnica J.: Wytrzymałość materiałów. Poznań: Wyd. Pol. Poznańskiej 1996.
4.
Stühler W.: Dämpfung – Entstehung, Beschreibung, Auswirkung und Abhängigkeiten. Grundstzreferat, VDI
– Berichte Nr 1082, 1993, S. 85-105.
5.
Grudziński K., Jaroszewicz W., Ratajczak J., Urbaniak M., Grudziński P.: Montaż maszyn i urządzeń
z uszyciem tworzywa EPY. Szczecin: Wyd. PPH ZAPOL, Dmochowski, Sobczyk, spółka jawna, 2005.
33