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 Technolo- giczny w Szczecinie, pawel.grudzinski@zut.edu.pl
Streszczenie
Praca przedstawia część II opisu i wyników doświadczalnych badań odkształceń, przemieszczeń, tarcia i tłumienia, występujących w fundamentowych złączach śrubowych ciężkich maszyn i urządzeń, posadowio- nych w sposób sztywny na fundamentach. W tej części pracy przedstawiono opis i wyniki badań doświadczal- nych, wykonanych dla fundamentowego złącza śrubowego z podkładką odlaną z tworzywa polimerowego (EPY). Następnie przeprowadzono analizę porównawczą wyników pomiarów, uzyskanych dla obydwóch bada- nych 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 re- lation to the machinery seated on the foundations makes sense purely conventional, and is a big simplifica- tion. 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 sys- tem in which they appear. In Part II of this paper is a description and the results of similar experiments, car- ried 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
1. OBIEKT I METODA BADAŃ
Do badań porównawczych przyjęto model funda- mentowego złącza śrubowego z podkładką odlaną z tworzywa polimerowego, oznaczonego symbolem firmowym EPY. Schemat i widok tego złącza pokaza- no na rys. 1. Wymiary elementów łączonych i pod- kładki były identyczne jak we wcześniej badanym modelu złącza z podkładką stalową [1].
Rys. 1. Model fundamentowego złącza śrubowego z podkład- ką 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 przyję- tym 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 ba- dań było to, żeby powierzchnie styku odlanej podkład- ki i elementów łączonych przed badaniami nie uległy rozłączeniu ani też przesunięciu względem siebie.
Odlana w ten sposób podkładka z tworzywa dopaso- wuje się samoczynnie ściśle do mikro- i makronierów- ności 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 łączo- nych 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.
2. REALIZACJA BADAŃ I WYNIKI
Podobnie jak we wcześniejszych badaniach układu z podkładką stalową wykonano trzy eksperymenty, przy uwzględnieniu różnych warunków obciążeń i przemieszczeń, występujących w praktyce. W ekspe- rymencie nr 1 zastosowano nieco inny przebieg obcią- żeń, niż dla układu z podkładką stalową. Zastosowanie tego samego przebiegu obciążeń nie było możliwe, ponieważ złącze to, z podkładką z tworzywa, zacho- wywało się zupełnie inaczej, niż badane wcześniej złącze z podkładką stalową. Przyjęto takie warunki badań, które uwidoczniły wyraźnie jakościowe i ilo- ściowe różnice w zachowaniu się obydwóch badanych złączy. W dwóch pozostałych eksperymentach przebie- gi 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. Mie- rzone 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 prze- mieszczeń 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 li- niowo-sprężysta zależność między obciążeniem T i przemieszczeniem względnym δt elementów łączo- nych. Nie ma tutaj przemieszczeń „plastycznych”
(mikropoślizgów) pomimo tego, że maksymalne obcią- żenie styczne jest w tym wypadku ponadtrzykrotnie większe od maksymalnego obciążenia badanego wcze- śniej złącza z podkładką stalową [1].
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
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 podkład- ką 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 mikropo- slizgów w połączeniach stykowych, nie ma też tłumie- nia 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.
Należy wyraźnie zaznaczyć, że podkładka z tworzywa nie została przyklejona do łączonych elementów stalo- wych. Powierzchnie tych elementów oraz formy odlew- niczej pokryte zostały cienką warstwą środka anty- adhezyjnego (ACMOS 70 2406, stosowanego w prakty- ce) 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 mikronierówno- ści powierzchni metalowych uzyskuje się bardzo dużą wartość współczynnika tarcia. W rozważanym przy- padku 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 pod- kładką stalową, układ zachowuje się liniowo-sprężyście (rys. 2). Większego obciążania badanego układu nie stosowano z obawy na możliwość uszkodzenia eksten- sometrów przy wystąpieniu gwałtownego zerwania połączenia ciernego.
2.2 EKSPERYMENT NR 2
W eksperymencie tym badano zachowanie się układu przy wymuszeniach cyklicznych. Schemat badanego układu oraz założone przemieszczenia względne δtelementów łączonych (w punktach 1 i 2), przedstawiono na rys. 4.
Badany układ poddany został wymuszeniom sinu- soidalnym, o różnych amplitudach, wynoszących 1, 2,5 , 5, 10 i 15 µm. Realizacja tych przemieszczeń stero- wana była za pomocą ekstensometru 1, pokazanego w części I, na rys. 3. Pomiary względnych przemiesz- czeń dokonywano także między punktami 3 i 4, znaj- dującymi się na linii działania siły T, w znacznej odległości od siebie (l = 150 mm). Wyniki tego ekspe- rymentu (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 spłaszczo- nych 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 wyznacze- nia współczynnika strat η.
Rys. 4. Badany układ: a) schemat i wyniki eksperymentu nr 2, b) czasowy przebieg zrealizowanych przez maszynę wytrzymało- ściową przemieszczeń względnych δt elementów łączonych (mierzonych w punktach 1 i 2), c) czasowy przebieg siły T realizują-
cej te przemieszczenia, d) pętle histerezy
Rys. 5. Pętla histerezy dla maksymalnej amplitudy prze- mieszczeń względnych punktów 1 i 2 elementów łączonych
i graficzne oznaczenia wielkości W i U
Na podstawie rys. 3 i 5, korzystając z prostych za- leżności znanych z wytrzymałości materiałów [3]
oraz tłumienia drgań [4], można wyznaczyć modułu ścinania Gt oraz współczynnika strat η dla podkładki z tworzywa
ܩ௧=
ఛ
ఋିଶഓ
ಸೞ (1)
ߟ =ଶగௐ (2)
gdzie:
Gt – moduł odkształcenia postaciowego tworzywa EPY,
Gs – moduł odkształcenia postaciowego stali:
Gs = 8,1·104 N/mm2,
τ – naprężenie styczne (rys. 5),
δt – przemieszczenie względne (rys. 5),
a i h – wymiary zaznaczone na rys. 3,
W – energia rozproszona w jednym cyklu, odniesiona do jednostki objętości,
U – energia potencjalna odkształcenia sprężystego, odpowiadająca maksymalnemu odkształceniu, odniesiona do jednostki objętości.
Dla badanej podkładki z tworzywa EPY, przy za- danych naciskach normalnych (p = 8,69 MPa) i wa- runkach 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].
2.3 EKSPERYMENT NR 3
W eksperymencie nr 3 badane złącze poddane zo- stało drganiom wymuszonym kinematycznie przez głowicę maszyny wytrzymałościowej. Drgania te (przemieszczenia głowicy s(t)) miały przebiegi sinuso- idalne, 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 bada- nymi wielkościami. W złączu ponownie nie zaobser- wowano mikropoślizgów. Tłumienie jest niewielkie, występuje w tworzywie i ma charakter wiskotyczny.
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
Podsumowując wyniki badań, można stwierdzić, że w fundamentowych złączach śrubowych z podkład- ką stalową decydujące znaczenie mają nie jej własności mechaniczne, tj. wytrzymałość i sztywność, które są dużo większe niż dla tworzywa, ale kontaktowe zjawi- ska fizyczne, występujące w połączeniach stykowych podkładki z fundamentem i podstawą maszyny.
Przy większych wymuszeniach cyklicznych (drga- niach), w kierunkach stycznych do powierzchni kon- taktowych, istnieją duże potencjalne możliwości wy- stępowania 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 rozregulowa- nie 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.
W złączach śrubowych z podkładką z tworzywa polimerowego, nawet przy obciążeniach dużo (3- krotnie) większych niż obciążenia graniczne dla złączy z podkładką stalową, nie ma mechanizmów powodują- cych 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.
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)
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 sztyw- nych, nie powinny być traktowane jako połączenia doskonale sztywne. Stanowi to bowiem duże uprosz- czenie, które ma poważne skutki o znaczeniu teore- tycznym i praktycznym.
2. W rzeczywistych fundamentowych złączach śrubo- wych 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 wystę- pują. Zjawiska te, wyznaczone dla złącza z podkładką stalową i odlaną z tworzywa, różnią się w sposób istotny, zarówno pod względem jakościowym jak i ilościowym.
3. Bez dokładnego poznania tych zjawisk fizycznych nie można dzisiaj należycie zrozumieć, stawiać i roz- wiązywać problemów, mających na celu zmniejszenie poziomu wibracji i hałasu oraz podwyższenie nieza- wodności i trwałości maszyn i urządzeń posadawianych na fundamentach
4. Dużą praktyczną zaletą stosowania podkładek z tworzywa, oprócz ich walorów techniczno- użytkowych, 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 Inżynier- skie” 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.
