BADANIA FUNDAMENTOWYCH ZŁĄCZY ŚRUBOWYCH MASZYN PRZY STAŁYM OBCIĄŻENIU NORMALNYM I ZMIENNYCH OBCIĄŻENIACH STYCZNYCH Część I. Złącze śrubowe z podkładką stalową

(1)

MODELOWANIE INŻYNIERSKIE nr 56, ISSN 1896-771X

BADANIA FUNDAMENTOWYCH ZŁĄCZY ŚRUBOWYCH MASZYN PRZY STAŁYM

OBCIĄŻENIU NORMALNYM I ZMIENNYCH OBCIĄŻENIACH STYCZNYCH

Część I. Złącze śrubowe z podkładką stalową

Paweł Grudziński

Katedra Mechaniki i Podstaw Konstrukcji Maszyn, Zachodniopomorski Uniwersytet Technolo- giczny w Szczecinie, pawel.grudzinski@zut.edu.pl

Streszczenie

W pracy przedstawiono opis i wyniki doświadczalnych badań odkształceń, przemieszczeń, tarcia i tłumienia konstrukcyjnego, występujących w fundamentowych złączach śrubowych ciężkich maszyn i urządzeń, posadowionych w „sposób sztywny” na fundamentach. Mocowanie sztywne tych urządzeń do fundamentów, według obowiązujących w tym zakresie przepisów (w budowie statków morskich), może być realizowane w sposób tra- dycyjny – na podkładach fundamentowych wykonywanych z metalu (zwykle stali), albo też w sposób nowo- czesny – na podkładkach fundamentowych odlewanych ze specjalnie do tego celu opracowanych kompozytów polimerowych. Zasadniczym celem tych badań było dokonanie analizy porównawczej tych dwóch rozwiązań i naukowe wyjaśnienie, dlaczego w tego rodzaju posadowieniach maszyn, podkładki fundamentowe odlewane z tworzywa lepiej spełniają swoje zadania techniczne niż podkładki stalowe. Całość tej pracy składa się z dwóch części. Część I opisuje specyfikę rozważanych sztywnych mocowań maszyn do fundamentów i zawiera wyniki doświadczalnych badań modelu fundamentowego złącza śrubowego z podkładką stalową.

Część II zawiera wyniki analogicznych badań wykonanych dla modelu fundamentowego złącza śrubowego z podkładką odlaną z tworzywa polimerowego. Przeprowadzono analizę porównawczą i ocenę wyników, uzy- skanych dla obydwóch badanych złączy śrubowych. W zakończeniu sformułowano wnioski istotne z punktu widzenia nauki i praktyki inżynierskiej.

Słowa kluczowe: maszyny, urządzenia, posadawianie, fundamentowe złącza śrubowe, podkładki fundamen- towe

TESTING OF MEDELS OF FOUNDATION BOLTED JOINTS UNDER A FIXED NORMAL LOAD

AND CHANGING TANGENTIAL LOADINGS Part I. Bolted joint with a steel chock

Summary

This paper presents a description and results of experimental studies of deformations, friction and structural damping occurring in the foundation bolted joints of machines and devices rigidly seated on foundations. The rigid mounting of these devices to the foundations, according to the accepted principles in this field (applicable in the regulations for the construction of ships), can be implemented in a traditional way – on chocks made of metal (usually of steel), or in a modern way – on chocks cast from a polymeric material (resin), specially de- signed for this purpose. The main goal of the studies was to perform a comparative analysis of these two solu- tions and to give a scientific explanation for why in the machinery seatings the chocks cast of resin better ful- fill their technical tasks than the steel chocks traditionally used for this purpose.

(2)

The whole of this work consists of two parts. Part I presents the specificity of the rigid mounting of machinery to the foundations and contains the results of experimental studies, performed for a model of a foundation bolted joint with a traditionally used steel chock. Part II contains the results of similar studies carried out for a model of a bolted joint with a modern chock - cast of resin. Next, a comparative analysis and evaluation of the results obtained for both investigated bolted joints was made. At the end conclusions were formulated to highlight important aspects of the problem from the point of view of science and engineering practice.

Keywords: machines, devices, seating, foundation bolted joints, foundation chocks

1. WSTĘP

Połączenia śrubowe w ogólnej klasyfikacji przyjętej powszechnie w teorii [1] i praktyce inżynierskiej [2, 3]

zaliczane są do grupy sztywnych połączeń konstruk- cyjnych. Połączenia te charakteryzuje duża różnorod- ność konstrukcji i zastosowania. Szczególną grupę takich połączeń, stanowiących przedmiot zaintereso- wania autora tej pracy, są fundamentowe złącza śrubowe ciężkich maszyn i urządzeń, posadawianych na fundamentach. Przykładem takich posadowień i połączeń z fundamentem mogą być silniki napędu głównego (rys. 1) i urządzenia pomocnicze montowane na statkach morskich, albo też duże sprężarki tłokowe, eksploatowane w przemyśle petrochemicznym, tłocz-

niach gazu ziemnego oraz innych gałęziach przemysłu i gospodarki.

Montaż takich urządzeń nie odbywa się bezpośred- nio na powierzchniach oporowych fundamentów, lecz przy zastosowaniu odpowiedniej liczby fundamentowych podkładek wyrównawczych, wykonywanych z materiału o dużej sztywności. W posadowieniach tradycyjnych, podkładki te wykonywane były z metalu (najczęściej stali, rys. 1b). Obecnie, dzięki postępowi jaki dokonał się w inżynierii materiałowej, podkładki te odlewane są coraz częściej ze specjalnie do tego celu opracowanych tworzyw polimerowych (rys. 1c) [3, 4].

Rys. 1. Posadowienie silnika napędu głównego statku: a) schemat ogólny; b) podkładka fundamentowa wykonana tradycyjnie ze stali; c) podkładka odlana z tworzywa polimerowego

Traktowanie złączy śrubowych (ogólnie) jako połą- czeń sztywnych oznacza praktycznie, że występujące w nich odkształcenia są małe, nie mają istotnego znaczenia i mogą być pominięte w modelowaniu i analizie. W odniesieniu do fundamentowych złączy śrubowych maszyn jest to bardzo duże uproszczenie, które zaciemnia obraz występujących w nich zjawisk fizycznych i uniemożliwia w efekcie należyte zrozumienie roli, jaką odgrywają w posadowionych obiektach.

Z wielu badań [5, 6, 7] oraz praktyki [8] wynika, że fundamentowe złącza śrubowe stanowią bardzo często najsłabsze ogniwa całych złożonych systemów mecha- nicznych, w których występują. Stwarzają wiele pro- blemów użytkownikom różnych maszyn i urządzeń.

W szczególności zaś, zagadnienie to jest obecnie bardzo aktualne w odniesieniu do użytkowników dużych sprężarek tłokowych [9].

Mając to na uwadze (a także dyrektywę UE doty- czącą obniżenia wibracji i hałasu), podjęto w naszym ośrodku kompleksowe badania, dotyczące tej proble- matyki. Pewne wycinki tych prac badawczych prze- stawione zostały we wcześniejszych publikacjach [10].

Zawierają one opisy i wyniki badań odkształceń, występujących w fundamentowych złączach śrubo- wych, z podkładką stalową i odlaną z tworzywa, przy obciążeniach normalnych do ich powierzchni kontaktowych. W prezentowanej obecnie pracy przedstawiono opis i wyniki badań odkształceń, przemieszczeń, tarcia

(3)

Paweł Grudziński

i tłumienia konstrukcyjnego, występujących w fundamentowych złączach śrubowych, przy stałym obciąże- niu normalnym i zmiennych obciążeniach stycznych do ich powierzchni kontaktowych.

Zasadniczym celem naukowym tych badań było:

1) poznanie zjawisk fizycznych – odkształceń, mikro- poślizgów, tarcia i tłumienia konstrukcyjnego - wystę- pujących w tzw. sztywnych mocowaniach maszyn do fundamentu; 2) wyjaśnienie, dlaczego podkładki fundamentowe odlewane z tworzywa, w tego rodzaju mocowaniach sztywnych, lepiej spełniają swoje zadania techniczne od tradycyjnie stosowanych do tego celu podkładek stalowych, pomimo tego, że wytrzymałość i sztywność tworzywa jest dużo mniejsza od stali.

Całość tej pracy składa się z dwóch części. Zawiera opis i wyniki badań wykonanych dla modelu fundamentowego złącza śrubowego z podkładką stalową i odlaną z tworzywa polimerowego.

2. OBIEKT I METODA BADAŃ

Obiektem badań doświadczalnych był w tym wypadku model fundamentowego złącza śrubowego z podkładką stalową, pokazany na rys. 2. Składał się z dwóch elementów łączonych oraz znajdującej się między nimi przekładki dystansowej.

Elementy łączone w tym modelu reprezentują pewne wycinki stalowej płyty fundamentowej i pod- stawy posadowionej maszyny. Kwadratowa przekładka dystansowa, o boku 80 mm i grubości 20 mm, z otwo- rem ø 24 mm w środku, reprezentuje stalową podkład- kę fundamentową, stosowaną tradycyjnie w tego rodzaju posadowieniach maszyn. Elementem łączącym w tym układzie była śruba M20 z nakrętką. Pod nakrętkę podłożona została specjalna podkładka sprężynująca oraz łożysko z podkładką kulistą w celu zwiększenia podatności sprężystej układu zaciskającego oraz zapewnienia osiowego rozciągania śruby. Na śrubę naklejone zostały tensometry elektrooporowe. Po odpowiednim wywzorcowaniu śruba ta służyła równo- cześnie jako siłomierz przy jej napinaniu podczas montażu oraz do kontroli tej siły w czasie badań.

Rys. 2. Model fundamentowego złącza śrubowego z podkład- ką stalową: a) schemat, b) widok elementów łączonych

i łączących (śruby)

Powierzchnie kontaktowe łączonych ze sobą elementów były frezowane. Parametry chropowatości tych po- wierzchni miały wartości: Ra = 2,47 – 2,51 µm, Rz = 13,40 – 13,50 µm. Powierzchnie kontaktowe podkładki były toczone i miały parametry chropowa- tości: Ra = 2,29 – 3,60 µm, Rz = 11,69 – 17,25 µm.

Badania przyjętego modelu wykonano przy stałym zacisku normalnym elementów łączonych i zmieniają- cych się obciążeniach stycznych do ich powierzchni kontaktowych. Napięcie montażowe śruby wynosiło N = 51700 ± 200 N, co wywoływało naprężenie rozcią- gające w śrubie σ = 199,7 MPa i średnie naciski powierzchniowe na podkładkę p = 8,69 MPa.

Po napięciu śruby występował w niej początkowo pewien niewielki spadek siły (rzędu 0,4 %). Podczas badań spadek napięcia śruby był niewielki, mieścił się w granicach 0 - 0,5 %.

Do realizacji obciążeń zastosowano nowoczesną serwohydrauliczną maszynę wytrzymałościową Instron 8850, wyposażoną w profesjonalne oprogramowanie do badań dynamicznych (Istron WaveMatrix v. 1.5.318), charakteryzujące się ogólnie tym, że wszystkie wielko- ści wejściowe i wyjściowe traktowane są jako funkcje czasu.

W czasie obciążeń mierzone były w sposób ciągły względne przemieszczenia elementów łączonych w kierunku stycznym do ich powierzchni kontaktowych. Pomiary przemieszczeń względnych dokonywane były w dwóch miejscach, między punktami oznaczo- nymi cyframi 1 i 2 oraz 3 i 4 na rys. 2. Do pomiaru tych przemieszczeń użyte zostały ekstensometry firmy Instron. Sposób realizacji obciążeń i pomiaru prze- mieszczeń pokazano na rys. 3. Maszyna wytrzymało- ściowa wyposażona jest w hydraulicznie zaciskane szczęki, co umożliwiło wykonywanie badań danego złącza przy obciążeniach dwustronnych, z ciągłym i gładkim przechodzeniem przez stany zerowe obciążeń i przemieszczeń.

Rys. 3. Badane złącze zamocowane w szczękach maszyny wytrzymałościowej z widocznymi ekstensometrami do pomia-

ru względnych przemieszczeń punktów pomiarowych 1 i 2 oraz 3 i 4 ( oznaczonych na rys. 2)

(4)

3. REALIZACJA BADAŃ I WYNIKI

Badania doświadczalne wykonane zostały na sta- nowisku pokazanym na rys. 4. Realizacja tych badań sterowana była w całości komputerowo. Zapewniło to dużą dokładność i powtarzalność ich przebiegu, a także odpowiednią obróbkę oraz i wydruk otrzymywanych wyników. Przeprowadzono kilka eksperymentów, przy różnych programach zadawanych obciążeń lub prze- mieszczeń stycznych, odpowiadających różnym sytu- acjom, występującym w praktycznych posadowieniach maszyn i urządzeń.

Rys. 4. Stanowisko do realizacji badań modelu fundamentowego złącza śrubowego

3.1 EKSPERYMENT NR 1

Polegał na powolnym obciążania i odciążaniu ba- danego złącza siła styczną T i mierzeniu przy tym względnych przemieszczeń δt elementów łączonych.

Realizację tego eksperymentu przedstawiono na rys. 5.

Obrazuje on czasowy przebieg siły T(t) i wywołanych przez nią przemieszczeń względnych δt(t) elementów łączonych, mierzonych w punktach 1 i 2. Sterowanie w tym eksperymencie odbywało się na przemian siłą T lub przemieszczeniem δt, mierzonym za pomocą ekstensometru 1 (rys. 3).

Rys. 5. Czasowe przebiegi obciążeń T i przemieszczeń względnych δt elementów łączonych mierzonych w punktach

1 i 2

Na rys. 6. pokazano wyniki tego eksperymentu w układzie współrzędnych T-δt.. Otrzymany wykres przestawia przemieszczenia względne δt punktów 1 i 2 elementów łączonych, w zależności od siły T. Jest to typowa charakterystyka, obrazująca zależność prze- mieszczeń od obciążeń, z tym, że podczas trwania tej próby dokonywano kilkakrotnego odciążania (do zera) i ponownego obciążania. Ostatnia krzywa odciążania nie zakończyła się na zerowej wartości siły T, lecz przeszła w sposób ciągły i gładki od rozciągania do ściskania badanego złącza. Obciążenie ściskające realizowane było tak długo i w taki sposób, aż osią- gnięty został stan początkowy tego złącza, tzn. zerowe wartości siły T i przemieszczeń δt elementów łączo- nych (rys. 5 i 6).

Z wykresów wynika, że występujące w badanym układzie z podkładką stalową przemieszczenia względ- ne elementów łączonych mają przebiegi nieliniowe i charakter sprężysto-plastyczny. Ilościowy udział przemieszczeń sprężystych i plastycznych w przemieszczeniach całkowitych zależy w tym wypadku nie tylko od wartości siły T, ale także od historii jej realizacji.

Przy dostatecznie małych wartościach tej siły, przemieszczenia są niewielkie i mają w przeważającej mierze charakter sprężysty. Przy większych obciąże- niach dominującą rolę odgrywają mikropoślizgi (rys.

6), które mogą osiągać znaczne wartości przed zerwa- niem styku i wystąpieniem makropoślizgu.

Uwaga: W powyższym eksperymencie nie obciążano badanego złącza aż do zerwania styku i wystąpienia makropoślizgu, ze względu na możliwość uszkodzenia kosztownych ekstensometrów.

(5)

Rys. 6. Współzależność średnich naprężeń stycznych τ i względnych przemieszczeń stycznych δt elementów łączonych. mierzonych w punktach 1 i 2

Wartości sprężystych przemieszczeń stycznych, wy- stępujących w badanym układzie, można łatwo wy- znaczyć w każdym punkcie charakterystyki poprzez odciążenie i ponowne obciążenie danego złącza.

Z badań wynika, że podczas odciążania i ponownego obciążania układ zachowuje się liniowo-sprężyście, aż do osiągnięcia punktu na wykresie, od którego zaczął się proces odciążania (rys. 6). Po osiągnięciu tego punktu i kontynuowaniu obciążania następuje dalszy mikropoślizg, przy minimalnym wzroście siły.

Podczas odciążania i ponownego obciążania powstają pewne niewielkie pętle histerezy sprężystej, które

widoczne są wyraźnie na rys. 7. Kąt pochylenia wszystkich pętli jest jednakowy. Oznacza to, że sprę- żysta podatność stykowa styczna, mierzona stosunkiem sprężystych przemieszczeń stycznych δt spr do siły T

(kt = δt spr/T), jest wielkością stałą (dla warunków

przyjętych w tym eksperymencie). Ogólnie zależy ona od wartości obciążenia normalnego i maleje z jego wzrostem. Maksymalna wartość sprężystych prze- mieszczeń stycznych, w tym eksperymencie, δt spr max = 5,5 µm, a maksymalny poślizg (mierzony w punktach 1 i 2), wynosił ok. 106 µm (rys. 6).

Rys. 7. Pętle histerezy sprężystej badanego złącza przy odciążaniu i ponownym obciążaniu stycznym w powiększonej skali przemieszczeń

(6)

Rys. 8. Schemat objaśniający przemieszczenia względne punktów pomiarowych 1 i 2 w złączu śrubowym z podkładką stalową Mechanizm występowania przemieszczeń względ-

nych δt elementów łączonych, mierzonych w punktach 1 i 2, objaśnia rys. 8. W tym wypadku mierzone przemieszczenia względne (całkowite) δt są efektem sprężystych odkształceń postaciowych γ materiału łączonych elementów (δt’=γh), kontaktowych odkształ- ceń stycznych występów nierówności oraz mikropośli- zgów, występujących w kontakcie oddziałujących na siebie powierzchni.

Dla celów porównawczych pokazano na rys. 9 przemieszczenia względne elementów łączonych, zmie- rzone w punkach 3 i 4, znajdujących się w znacznej odległości od siebie (rys. 2a). Porównując ze sobą wykresy przedstawione na rys. 6 i 9, można stwierdzić znaczące różnice udziału przemieszczeń sprężystych w przemieszczeniach całkowitych. Natomiast przemieszczenia „plastyczne”, tzn. mikropoślizgi, w obu przy- padkach mają wartości porównywalne. Znacząca różnica przemieszczeń sprężystych wynika z faktu, że przyjęte do pomiaru bazy między punktami pomiarowymi różnią się zasadniczo. Punkty 1 i 2 znajdują się w jednym przekroju poprzecznym, natomiast punkty 3 i 4 są w różnych przekrojach, znajdujących się w odległości l = 150 mm od siebie (rys. 2a ). Prze- mieszczenia punktów 1 i 2 są efektem tylko odkształ-

ceń i poślizgów stycznych. Natomiast przemieszczenia względne punktów 3 i 4 uwzględniają dodatkowo sprężyste wydłużenia lub skrócenia tych części ele- mentów łączonych, które znajdują się między tymi punktami pomiarowymi. Bardzo małe różnice prze- mieszczeń plastycznych (mikropoślizgów), widoczne na wykresach (rys. 6 i 9) wskazują, że występujące tutaj mikropoślizgi są w przybliżeniu jednakowe na całej długości podkładki.

Działająca na badany układ zmienna siła styczna T równoważona jest cały czas przez siły tarcia, wystę- pujące w kontakcie łączonych elementów. Tak więc charakterystyka przedstawiona na rys. 6. obrazuje jednocześnie zależność siły tarcia od przemieszczeń stycznych, występujących w danym złączu śrubowym.

Jest to tzw. tarcie konstrukcyjne. Zgodnie z definicją, związane jest ono z pewnymi małymi przemieszczeniami stycznymi oddziałujących na siebie powierzchni styku, występującymi w stanie globalnej równowagi spoczynkowej badanego układu. Maksymalna wartość współczynnika tarcia, wyznaczona w tym eksperymen- cie µ = Tmax /N = 0,24. Z tych badań wynika (rys. 6), że zależność siły tarcia od względnych przemieszczeń stycznych jest nieliniowa i niejednoznaczna.

Rys. 9. Współzależność siły T i względnych przemieszczeń stycznych δt elementów łączonych: mierzonych w punktach 3 i 4

(7)

3.2 EKSPERYMENT NR 2

W eksperymencie nr 2 badano zachowanie się układu przy wymuszeniach cyklicznych. Wymuszenia te dotyczyły względnych przemieszczeń stycznych δt

elementów łączonych, mierzonych w punktach 1 i 2.

Przemieszczenia te miały przebiegi sinusoidalne, o amplitudach wynoszących 1, 2,5, 5, 10 i 15 µm

i sterowane były za pomocą ekstensometru nr 1 (rys. 3b).

Mając zadany program tych przemieszczeń względ- nych δt(t), zadaniem maszyny wytrzymałościowej, wyposażonej w odpowiedni program do badań dynamicznych było dobranie i wykonanie odpowiedniego przebiegu obciążeń T(t), który zapewni ich praktyczną realizację.

Rys. 10. Wyniki eksperymentu nr 2: a) czasowy przebieg względnych przemieszczeń łączonych elementów (mierzonych w punktach 1 i 2), b) czasowy przebieg siły T realizującej te przemieszczenia, c) czasowy przebieg średnich naprężeń

stycznych τ działających na podkładkę, d) pętle histerezy Wyniki tego eksperymentu przedstawiono na

rys. 10. Rys. 10a pokazuje czasowe przebiegi prze- mieszczeń względnych (mierzonych w punktach 1 i 2), zrealizowanych przez maszynę wytrzymałościową.

Widoczna jest bardzo duża dokładność realizacji założonych cykli przemieszczeń o przebiegu sinusoidalnym, nawet tych o najmniejszej amplitudzie, wynoszą- cej 1 µm. Siła realizująca zadane przemieszczenia o przebiegu sinusoidalnym nie ma przebiegu sinuso- idalnego (rys. 10b). Widoczne to jest zwłaszcza przy większych wartościach przemieszczeń δt. Oznacza to, że badany układ zachowuje się nieliniowo. Widać to wyraźnie na rys. 10d, który powstał z odpowiedniego przekształcenia wyników pomiarów podanych na rys.

10a i c. Charakterystyczną cechą tego złącza są duże pętle histerezy. Wpływ na to mają zmienne opory tarcia oraz mikropoślizgi, występujące w kontakcie oddziałujących na siebie powierzchni (patrz rys. 6 i 8).

3.3 EKSPERYMENT NR 3

W eksperymencie nr 3 badany układ poddany zo- stał cyklicznym wymuszonym kinematycznym s(t), sterowanym przez głowicę maszyny wytrzymałościo- wej. Wymuszenia te miały przebiegi sinusoidalne, o amplitudach 25, 50, 75, 100 i 125 µm. Przy tak zało- żonych wymuszeniach, działających na badane złącze, wyznaczane były czasowe przebiegi siły T(t) (realizu- jącej zadane przebiegi przemieszczeń głowicy s(t)), przemieszczeń względnych elementów łączonych δt(t), mierzonych w punkach 1 i 2, w punktach 3 i 4 oraz pętle histerezy. Wyniki tego eksperymentu przedstawiono na rys. 11 i 12

Analizując wyniki pomiarów, przedstawione na rys.

11, łatwo można zauważyć, że odpowiedzi badanego układu na zadane wymuszenia harmoniczne nie mają przebiegu harmonicznego. Występują tutaj skompliko- wane nieliniowe zależności między przemieszczeniami s głowicy, siłą T (która je realizuje) oraz przemieszcze-

(8)

niami δt elementów łączonych (mierzonymi w punktach 1 i 2). Jest to efekt zmienności oporów tarcia i występowania mikropoślizgów w kontakcie łączonych ze sobą elementów. Rezultatem tego są duże pętle histerezy, które są miarą występującego w tym ukła- dzie dużego tłumienia konstrukcyjnego.

Na rys. 12, dla celów porównawczych, pokazano czasowe przebiegi względnych przemieszczeń elemen- tów łączonych, mierzonych w punktach 3 i 4, oraz pętle histerezy, odniesione do tych przemieszczeń.

Przemieszczenia przedstawione na rys. 11c są efektem odkształceń i poślizgów, występujących między punktami 1 i 2, znajdującymi się w jednym przekroju poprzecznym tego złącza (rys. 2a). Przemieszczenia

względne punktów 3 i 4, pokazane na rys. 12a, są większe od przemieszczeń mierzonych w punktach 1 i 2. Uwzględniają one bowiem jeszcze wydłużenia sprężyste tych części elementów łączonych (długości l = 150 mm), które zawarte są między tymi punktami pomiarowymi. Przemieszczenia plastyczne, będące efektem mikropoślizgów, są w obu wypadkach porów- nywalne, co widać wyraźnie na rys. 11d i 12b. Pokazu- je to, że mikropoślizgi są w przybliżeniu jednakowe na całej długości styku podkładki z elementami łączony- mi. Kształty powstałych pętli histerezy różnią się nieco, natomiast pola zawarte wewnątrz tych pętli są porównywalne.

Rys. 11. Wyniki eksperymentu nr 3: a) czasowy przebieg zadanych wymuszeń kinematycznych s(t) zrealizowanych przez głowicę maszyny wytrzymałościowej, b) czasowy przebieg siły T(t) realizującej zadane przemieszczenia s(t), c) czasowy przebieg

względnych przemieszczeń łączonych elementów (mierzonych w punktach 1 i 2), d) pętle histerezy

Rys. 12. Wyniki eksperymentu nr 3: a) czasowe przebiegi przemieszczeń względnych elementów łączonych, mierzonych w punktach 3 i 4, b) pętle histerezy dla przemieszczeń w tych punktach

(9)

Pozytywnym efektem występujących w tym złączu sił tarcia i mikropoślizgów jest duże tłumienie konstrukcyjne, a negatywnym efektem – intensywne zużywanie się oddziałujących na siebie powierzchni.

W takich wypadkach stosunkowo duża część strumie- nia energii drgań, przepływającej przez dane złącze z maszyny do fundamentu, zostaje zaabsorbowana przez to złącze. Tylko część tej energii drgań zamienia się na ciepło i ulega rozproszeniu. A pozostała jej część zamienia się na pracę niszczenia oddziałujących na siebie powierzchni łączonych elementów. W dłuższym okresie prowadzi to często do występowania zużycia ściernego, frettingu, luzowania się złącza, zwiększenia drgań posadowionego obiektu, zwiększonego zużycia niektórych jego części składowych i w końcu do znisz- czenia danego złącza albo też do sytuacji awaryjnej w danym systemie.

4. PODSUMOWANIE I WNIOSKI

Przeprowadzone badania doświadczalne wykazały, że w fundamentowych złączach śrubowych z podkład- kami stalowymi, obciążonych zmiennymi w czasie siłami stycznymi do powierzchni kontaktowych wystę- pują skomplikowane zjawiska fizyczne (odkształcenia, mikropoślizgi, tarcie i tłumienie konstrukcyjne). Mają one istotny wpływ nie tylko na zachowanie się samych

złączy śrubowych, ale także na dynamikę, niezawod- ność i trwałość całych obiektów, w których występują.

Dlatego też tego rodzaju fundamentowe złącza śrubowe maszyn, z tradycyjnie stosowanymi podkład- kami stalowymi, w ich modelowaniu oraz analizie dynamicznej i wytrzymałościowej, nie powinny być traktowane jako połączenia sztywne. Uniemożliwia to bowiem należyte zrozumienie, stawianie i rozwiązywa- nie współczesnych problemów, mających na celu zmniejszenie wibracji i hałasu oraz zwiększenie nieza- wodności i trwałości maszyn i urządzeń posadowionych na fundamentach.

Czynnikiem odgrywającym istotną rolę w tych złą- czach śrubowych nie są własności mechaniczne mate- riału podkładki (wytrzymałość i sztywność stali), lecz zjawiska kontaktowe, występujące w połączeniach stykowych podkładki z fundamentem i podstawą maszyny.

W dobrze zaprojektowanych tego rodzaju złączach śrubowych z podkładka stalową nie powinny wystę- pować znaczące mikropoślizgi. Ważnym zagadnieniem jest ustalenie sensownej granicy dopuszczalnych prze- mieszczeń w kontakcie, przy których możliwa jest długotrwała bezpieczna praca złącza śrubowego obcią- żonego zmiennymi w czasie siłami stycznymi.

Literatura

1. Encyklopedia techniki: budowa maszyn. Warszawa: WNT, 1968.

2. Wärtsilä, Project Guide W32 -1/2008, 15. Foundation.

3. Germanischer Lloyd: Guidelines for the Seating of Propulsion Plants and Auxiliary Machinery. Rules for Classification and Construction 2010, VI, Part 4, Chapter 3.

4. Grudziński K., Jaroszewicz W., Ratajczak J., Urbaniak M., Grudziński P.: Montaż maszyn i urządzeń z użyciem tworzywa EPY. Szczecin: Wyd. PPH ZAPOL, Dmochowski i Sobczyk, sp. j., 2014.

5. Smally A.J., Mandke J.S., Pantermuehl P.J., Drummond R.D.: Reciprocating compressor foundations:

loading, design, analysis, monitoring & repair. MRC (USA), Report No. TA 93.

6. Pantermuehl P.J. and Smalley A.J.: Compressor anchor bolt design. GMRC (USA), Report No. TR 97-6.

7. Guidelines for vibrations in reciprocating compressor systems. European Forum for Reciprocating Compres- sors (EFRC) 2009, First Edition, November 2009.

8. Grudziński K.: Analiza porównawcza posadowień maszyn tłokowych na fundamentach betonowych i kon- strukcjach stalowych. Raport Nr1/08. Politechnika Szczecińska, Katedra Mechaniki i Podstaw Konstrukcji Maszyn, Szczecin 2008 (niepubl.). Wykonane dla Spółki Operator Gazociągów Przesyłowych GAZ-SYSTEM S.A. w Warszawie.

9. Grudziński K., Jaroszewicz W., Kołodziejski W., Klimczak R.: Nowy sposób naprawy posadowienia ciężkich maszyn i urządzeń na przykładzie motosprężarek GMVH-12. „Przegląd Mechaniczny” 1995, nr 21, s. 21-24.

10. Grudziński P.: Analiza odkształceń i naprężeń w fundamentowych złączach śrubowych z podkładką stalową i odlaną z tworzywa polimerowego, Część I. Złącze śrubowe z podkładką stalową, Część II. Złącze śrubowe z podkładką z tworzywa. „Modelowanie Inżynierskie” 2014 nr 52, s. 64-71, s. 72-79.