Wyznaczanie sił w śrubach strzemiona w złączu ciernym obudowy górniczej

Transkrypt

1 r inż. JAROSŁAW BRODNY Politechnika Śląska Wyznaczanie sił w śrubach strzemiona w złączu ciernym obuowy górniczej W artykule przestawione zostały wyniki analizy wytrzymałościowej śrub strzemion pracujących w złączu ciernym obuowy górniczej. Analizy objęły wyznaczenie sił osiowych ziałających w śrubach strzemion złącza ciernego okręconych wstępnym momentem skręcającym. Siły wyznaczono na postawie baań stanowiskowych oraz na postawie analiz numerycznych pracy złączy ciernych poanych osiowemu ściskaniu oraz statycznemu zginaniu. Baania i analizy przeprowazono la złącza skłaającego się z wóch prostych ocinków kształtownika V29 połączonych woma strzemionami typu SDO29 zgonie z PN-91/G-15/11 oraz DIN Wyznaczone zostały także zależności określające wpływ współczynnika tarcia w mechaniźmie śrubowym na wartości sił w śrubach la różnych wartości momentu okręcenia nakrętek. 1. WSTĘP Strzemiona są postawowymi elementami złącza ciernego orzwi obuowy poatnej. Ich zaaniem jest połączenie konstrukcyjne kształtowników orzwi i wywieranie opowieniego nacisku na współpracujące kształtowniki. Nacisk ten jest wynikiem ziałania sił osiowych przenoszonych przez śruby strzemion. W czasie montażu orzwi obuowy poatnej śruby strzemion okręcane są określonym momentem skręcającym la uzyskania opowieniej wstępnej siły osiowej ściskającej współpracujące kształtowniki orzwi. Siły osiowe bęące wynikiem ziałania wstępnego momentu skręcającego nazywamy siłami wstępnymi naciągu. W czasie pracy orzwi, najczęściej w wyniku oziaływania górotworu, następuje zmiana wartości sił przenoszonych przez śruby. Siły te nazywamy siłami roboczymi naciągu. Konstrukcja złącza ciernego oparta jest na wykorzystaniu mechanizmu śrubowego jako zasaniczego elementu przenoszącego siły ociskające kształtowniki. W fazie montażu siły te są wynikiem ziałania momentu skręcającego ziałającego na nakrętkę. W czasie pracy śruby są oatkowo obciążone siłami bęącymi wynikiem wymuszeń zewnętrznych ziałających na złącze cierne i powoujących rozciąganie lub ściskanie jarzm strzemion. W artykule zostały przestawione wyniki baań stanowiskowych oraz analiz numerycznych złączy ciernych przy osiowym ściskaniu i statycznym zginaniu zgonie z normami [4, 5]. W czasie tych baań wyznaczane były siły osiowe ziałające w śrubach złącza ciernego. W artykule okonano też analizy pracy mechanizmu śrubowego oraz wyznaczono zależności siły osiowej w śrubie w funkcji współczynnika tarcia la śruby M ZASADA DZIAŁANIA MECHANIZMU ŚRUBOWEGO Zasaa ziałania mechanizmu śrubowego polega na zamianie momentu okręcenia nakrętki na siłę osiową ziałającą wzłuż śruby. Przy założonym momencie skręcającym (okręcenia) o wartości siły wzłużnej ociskającej współpracujące jarzma ecyuje kąt wzniosu linii śrubowej g oraz kąt rozwarcia gwintu metrycznego α [3].

2 Nr 5(471) MAJ N R,5a P Z,5 a nakrętka b) r R 1 g N 1 T P H R 1 h śruba g p D g+r s a) Rys. 1. Rozkła sił w połączeniu śrubowym: a la gwintu metrycznego, b la śruby jako maszyny prostej siła osiowa, kn Nm 35 Nm 4 Nm 5 Nm 6 3,5,1,15,2,25,3,35 współczynnik tarcia Rys. 2. Zależność siły osiowej w śrubie o współczynnika tarcia la różnych wartości momentu okręcenia nakrętki Na rysunku 1 zostały przestawione rozkłay sił ziałających mięzy śrubą i nakrętką w mechanizmie śrubowym oraz schemat śruby jako maszyny prostej. Moment okręcenia złącza śrubowego oprócz wywołania napięcia wstępnego w śrubie musi pokonać siły tarcia w gwincie oraz siły tarcia na powierzchniach oporowych pomięzy nakrętką a kołnierzem strzemiona. Moment ten jest sumą wóch momentów: M = M + M (1) gzie: M s moment tarcia w gwincie, M n moment tarcia pomięzy nakrętką a kołnierzem strzemiona. Po postawieniu otrzymamy zależność na siłę osiową w śrubie w postaci: s n 2M P = (2), s tg( g + r ) +,5( + Dk ) mn gzie: P siła osiowa w śrubie, s śrenica poziałowa gwintu śruby, D k tzw. śrenica po klucz, D śrenica nominalna śruby, μ n współczynnik tarcia pomięzy nakrętką a powierzchnią kołnierza, g kąt wzniosu linii śrubowej,, r pozorny kąt tarcia. Postawiając o zależności (2) ane śruby M24 stosowanej w strzemionach SDO29 oraz moment okręcenia nakrętki równy 35 Nm obliczymy wartość siły osiowej w śrubie, która wynosi P = 69,2 kn. Na rysunku 2 przestawione zostały zależności pomięzy współczynnikiem tarcia w gwincie a war-

3 24 MECHANIZACJA I AUTOMATYZACJA GÓRNICTWA Rys. 3. Sposób zamocowania czujników śrubowych przy osiowym ściskaniu złącza ciernego tością siły osiowej w śrubie la różnych momentów okręcenia śruby w złączu. Do obliczeń przyjęto takie same wartości współczynników tarcia la gwintu i pomięzy nakrętką a powierzchnią kołnierza. Analizując wykresy przestawione na rysunku 2 należy zauważyć, że niewielka zmiana współczynnika tarcia w gwincie oraz na powierzchni styku nakrętki z kołnierzem strzemiona powouje istotną zmianę siły w śrubie. Wpływa to na charakterystykę pracy orzwi obuowy. Przyjmując, iż głównym zaaniem śrub jest zapewnienie opowieniej siły ocisku współpracujących kształtowników, to wartości współczynników tarcia powinny być jak najmniejsze. Zapewni to także użą sprawność złącza ciernego. 3. WYZNACZANIE SIŁ W ŚRUBACH STRZE- MION PRZY OSIOWYM ŚCISKANIU ZŁĄ- CZA CIERNEGO W czasie próby osiowego ściskania złącza ciernego na śrubach strzemion zamocowano czujniki siły. Sposób zamocowania czujników przestawiono na rysunku 3. Baania stanowiskowe zostały przeprowazone la złącza ciernego łączącego wa kształtowniki V 29 strzemionami SDO 29. Moment okręcenia śrub w strzemionach wynosił 35 Nm. Założono, że powierzchnie kołnierzy są równoległe. W baaniach nie uwzglęniano momentów zginających ziałających na śruby. Pojawiają się one w momencie zaziałania siły wzłużnej i zależne są o wartości współczynnika tarcia pomięzy elementami strzemiona oraz siły okręcenia wstępnego śrub (siła ocisku). Próba ściskania została przeprowazona zgonie z polską normą [5]. W czasie baania rejestrowane były siły we wszystkich czterech śrubach złącza. Wartości sił rejestrowano w funkcji czasu pomiaru. Uzyskane wyniki przestawiono na wykresach (rys. 4). Na schemacie pomiarowym śruby zostały oznaczone użymi literami A, B, C i D (rys. 3), a na wykresach opowienimi małymi literami (rys. 4). W oparciu o schemat z rysunku 3 został opracowany moel numeryczny złącza ciernego. W wyniku analizy przeprowazonej metoą elementów skończonych wyznaczone zostały siły w poszczególnych śrubach złącza. Osiowa siła wstępna w śrubach została ustalona na postawie pomiaru sił w śrubach złącza przy wstępnym okręceniu ich momentem skręcającym wynoszącym 35 Nm. Siła ta wynosiła o 72 kn o 86 kn, co opowiaa współczynnikowi tarcia równemu, 14 (zgonie z rys. 2). Do obliczeń przyjęta została wartość wstępnej siły osiowej wynosząca 8 kn. Na rysunku 4 został przestawiony uśreniony wykres zmiany siły w śrubach w funkcji czasu uzyskany na postawie analizy numerycznej (oznaczony n). 4. WYZNACZANIE SIŁ W ŚRUBACH STRZE- MION PRZY STATYCZNYM ZGINANIU ZŁĄCZA CIERNEGO Próbę statycznego zginania złącza ciernego przeprowaza się zgonie z polską normą [5] oraz niemiecką normą [4]. Rozpatrzone zostały wa ukłay baawcze wynikające z różnego sposobu obciążenia złączy. W pierwszym przypaku kształtowniki zosta-

4 Nr 5(471) MAJ P, kn c a b n t, s Rys. 4. Wykresy zmiany sił w śrubach złącza ciernego przy statycznym ściskaniu n- na postawie analizy numerycznej, a, b, c, - na postawie baań stanowiskowych Rys. 5. Moel złącza ciernego z wstępnymi siłami w śrubach strzemion poany zginaniu gonie z [5] ły obciążone w wóch płaszczyznach poprzez trawersę o użej sztywności [5]. W rugim przypaku kształtowniki zostały obciążone siłą ziałającą bezpośrenio symetrycznie pomięzy strzemionami złącza [4]. W obu przypakach zastosowane zostały strzemiona SDO 29 ze śrubami M24. Celem przeprowazonych baań było wyznaczenie zmian wartości sił w śrubach strzemion w czasie statycznego zginania złącza ciernego. Przy baaniach stanowiskowych nakrętki zostały okręcone momentem skręcającym równym 35 Nm. Do analizy numerycznej przyjęto siły wstępne w śrubach równe 8 kn. Na rysunku 5 został przestawiony moel yskretny złącza ciernego z zamoelowanymi siłami wstępnymi w śrubach strzemion. Na postawie przeprowazonych baań stanowiskowych oraz analiz numerycznych wyznaczono charakterystyki zmian sił w śrubach strzemion złącza ciernego w funkcji czasu pomiaru. Na rysunku 6 zostały przestawione wykresy zmian tych sił w przypaku statycznego zginania złącza zgonie z [4], a na rysunku 7 w przypaku zginania zgonie z [5]. Na obu rysunkach przestawione zostały wykresy uzyskane zarówno w wyniku baań stanowiskowych (śruby oznaczono parami AB i CD), jak i analizy numerycznej (opowienio oznaczone ab i c). W przypaku statycznego zginania przeprowazanego zgonie z [4] następuje uży wzrost sił w śrubach strzemion wraz ze wzrostem czasu baania (skala minutowa), przy baaniach zgonie z [5] siły w śrubach nie ulegają większym zmianom w czasie baania. Na rysunku 8 zostały przestawione śruby złącza ciernego poanego statycznemu zginaniu zgonie z [4] po analizie numerycznej i baaniu stanowiskowym. Już wstępna obserwacja pozwala zauważyć uże poobieństwo stanu okształcenia obu śrub. Świaczy to o poprawności przyjętego moelu numerycznego. Dla śruby poanej analizie numerycznej

5 26 MECHANIZACJA I AUTOMATYZACJA GÓRNICTWA P, kn ab AB c CD czas, min 14 Rys. 6. Wykresy zmiany sił w śrubach złącza ciernego przy statycznym zginaniu wg [4] P, kn c ab CD AB t, s Rys. 7. Wykresy zmiany sił w śrubach złącza ciernego przy statycznym zginaniu wg [5] Rys. 8. Stan okształcenia w śrubach la złącza zginanego zgonie z [4]

6 Nr 5(471) MAJ przestawiony został także stan jej naprężenia. Przestawione śruby opowiaają śrubom oznaczonym literami ab i AB na wykresie na rysunku PODSUMOWANIE Obserwacje ruchowe wykazują, że w wyniku zsuwu w orzwi obuowy zauważalny jest proces luzowania się nakrętek w śrubach strzemion. Jacobi [2] zauważył zjawisko luzowania się nakrętek śrub po pierwszym zsuwie elementów złącza i w celu utrzymania stałej siły ocisku zaproponował okręcania śrub po każym zsuwie. Także przy baaniach stanowiskowych przy osiowym ściskaniu złącza ciernego obserwuje się zjawisko zmniejszania się sił ocisku kształtowników w wyniku zmniejszenia się sił w śrubach [1]. W niniejszym opracowaniu przestawione zostały wyniki baań stanowiskowych i analiz numerycznych, których celem było wyznaczenie i porównanie charakterystyk zmian sił osiowych w śrubach strzemion pracujących w złączach ciernych stalowej orzwiowej obuowy górniczej. Charakterystyki zmian sił osiowych w śrubach zostały wyznaczone la trzech przypaków, przy ściskaniu osiowym złącza oraz przy zginaniu złącza zgonie z [4 i 5]. Otrzymane wyniki baań oświaczalnych i analizy numerycznej wykazują użą zgoność w zakresie jakościowym i ilościowym. Przy osiowym ściskaniu złącza ciernego po pierwszym zsuwie następuje znacznie zmniejszenie sił w śrubach, co jest barzo niekorzystnym zjawiskiem. Zmniejszenia sił mogą osiągać wartość nawet około 3% siły wstępnej. Potwierza to wcześniejsze wyniki obserwacji ruchowych [1,2]. W celu zapewnienia opowienich warunków pracy obecnie stosowanych złączy ciernych konieczne jest okręcanie śrub po wystąpieniu zsuwu. Występuje także zjawisko niesymetrycznego obciążania śrub w złączu. Jest to wynikiem użej wrażliwości połączenia śrubowego na zmianę współczynnika tarcia w połączeniu gwintowym, jak i na różnego typu ochyłki wykonania i montażu złączy. Przy zginaniu złączy ciernych należy pokreślić użą niesymetrię obciążenia poszczególnych śrub złącza. Szczególnie jest to wioczne na rysunku 6. Przy zginaniu wg [4] następuje rzeczywiste zginanie złącza ciernego, co w konsekwencji wywołuje uże wytężenie zewnętrznego strzemiona. Śruby tego strzemiona oznaczone literami ab i AB pracują przy użych obciążeniach. W przypaku obciążenia wg [5] zginaniu ulegają kształtowniki obok złącza. Jest to wynikiem użej sztywności złącza ciernego, co powouje, że śruby w strzemionach nie są narażone na zbyt uże obciążenia (rys. 7). Przy zginaniu złączy ciernych nie występuje luzowanie śrub. Analizując wyniki uzyskane w przypaku zginania złącza ciernego należy zauważyć, że na śruby w złączu, oprócz sił połużnych, ziałają także momenty zginające, momenty skręcające, a w przypaku użych okształceń kołnierzy strzemion także siły tnące. W rzeczywistości śruby pracują w niekorzystnym i złożonym stanie naprężenia. Jest to wioczne przy analizie stanu okształcenia śrub z rysunku 8. Zakres niniejszego opracowania obejmował wyznaczanie siły połużnej w śrubach, należy jenak pamiętać, że w wielu przypakach śruby te pracują w złożonych stanach obciążenia. Przeprowazone baania zostały wykonane na prostych ocinkach kształtowników zgonie z obowiązującymi normami [4,5]. W warunkach rzeczywistych złącza cierne pracują na powierzchniach łukowych kształtowników. Powouje to, iż w śrubach oraz strzemionach występują złożone stany naprężenia. Oprócz sił osiowych występują także momenty zginające i skręcające oraz siły ścinające. Strzemiona natomiast przenoszą oatkowo obciążenia pochozące o momentów zginających, a także momentów skręcających ziałających na kształtowniki. Wpływa to na znaczne zróżnicowanie stanu naprężenia w strzemionach i wartości sił ziałających w śrubach. Wyniki przestawione w niniejszym artykule powinny stanowić przyczynek o alszych analiz i baań stanu obciążenia i naprężenia w śrubach strzemion i samych strzemionach złączy ciernych w celu poprawy efektywności ich pracy. Literatura 1. Brony J., Głuch P.: Wyznaczanie charakterystyki pracy złącza ciernego. XVII Mięzynaroowa Konferencja Naukowo- Techniczna TEMAG 29. Gliwice Jacobi O.: Praxis er Gebirgsbeherrshung. Auflage, Verlag Gluckauf GmbH. Essen Korewa Z.: Postawy Konstrukcji Maszyn. Wyawnictwo WNT. Warszawa Deutsche Norm, DIN , Ausbau fur en Bergbau. 5. PN-91/G-15/11, Obuowa choników orzwiami poatnymi z kształtowników korytkowych. Kształtowniki korytkowe proste. Baanie złącz. Recenzent: prof. r hab. inż. Antoni Skoć