Projekt stanowiska do badań zmęczeniowych śrub

Transkrypt

1 NIEOCZYM Aleksander 1 GARDYŃSKI Leszek 2 WIERZBICKI Sławomir 3 MACHROWSKA Anna 4 Projekt stanowiska do badań zmęczeniowych śrub WSTĘP Połączenia śrubowe poddane są obciążeniom wynikającym z pracy elementów i zespołów maszyn. Bardzo rzadko są to obciążenia stałe, najczęściej mamy do czynienia z obciążeniami zmiennymi. Ponieważ w większości przypadków łączniki gwintowe są najsłabszym ogniwem, od którego zależy trwałość zespołów, konieczne więc staje się określenie ich wytrzymałości przy obciążeniach zmiennych. W procesie zniszczenia zmęczeniowego można rozróżnić następujące okresy: okres przemian zachodzących wewnątrz mikroobszarów, okres przekształcania się mikropęknięć w makropęknięcia, doprowadzające w końcowej fazie do zmęczeniowego zniszczenia elementu w wyniku czego powstaje przełom zmęczeniowy. Pęknięcia zmęczeniowe rozwijają się od tzw. ognisk, które powstają w miejscach spiętrzenia naprężeń lub wad materiałowych. Do najważniejszych przyczyn zapoczątkowujących pęknięcie zmęczeniowe należą: niewłaściwe rozwiązanie konstrukcyjne elementu ostre podcięcie, gwałtowne zmiany przekrojów, niewłaściwa jakość materiału pory, wtrącenia niemetaliczne, naprężenia własne, niewłaściwe wykonanie pozostawienie śladów obróbki, rysy powierzchniowe, niewłaściwe dla danego elementu warunki eksploatacji przeciążenia, wchodzenie w drgania rezonansowe, korozja, zmiany temperatury. 1 WYTRZYMAŁOŚĆ POŁĄCZEŃ GWINTOWYCH PRZY OBCIĄŻENIACH ZMIENNYCH Łączniki gwintowe powszechnie stosowane w budowie maszyn wykonywane są zgodnie z warunkami technicznymi zestawionymi w normie ISO 898/1-78, określającymi konstrukcję, materiał, technologię wykonania oraz wytrzymałość statyczną połączeń gwintowych przy temperaturze T=293 K (12 klas wytrzymałości statycznej). Norma ta wykorzystywana jest do opracowania kryteriów przydatności do pracy i certyfikacji połączeń gwintowych przy obciążeniach statycznych w warunkach normalnych temperatur. Wytrzymałość połączeń gwintowych przy obciążeniach cyklicznych i udarowych w warunkach normalnych i obniżonych temperatur nie jest określona w normie. Podstawowym kryterium zdolności do pracy połączeń gwintowych obciążonych cyklicznie jest wytrzymałość zmęczeniowa, charakteryzująca się naprężeniami amplitudowymi δ a i liczbą cykli naprężeń N δa prowadzących do zniszczenia łącznika. Jeżeli podczas eksploatacji, połączenia gwintowe są obciążane cyklicznie z liczbą cykli większą od bazowej N δa0 to połączenia takie charakteryzują się długim czasem bezawaryjnego użytkowania. Określono eksperymentalnie amplitudy asymetrycznych cykli sinusoidalnych naprężeń przyjmując δ a0 = (25 30) MPa dla połączeń gwintowych wytworzonych zgodnie z warunkami technicznymi ISO 898/1-78 [1]. Proponuje się więc wykorzystanie naprężenia 1 Politechnika Lubelska, Wydział Mechaniczny, Katedra Podstaw Konstrukcji Maszyn i Mechatroniki, ul. Nadbystrzycka 36, Lublin a.nieoczym@pollub.pl, 2 Politechnika Lubelska, Wydział Mechaniczny, Katedra Inżynierii Materiałowej, ul. Nadbystrzycka 36, Lublin, l.gardyński@pollub.pl, 3 Uniwersytet Warmińsko Mazurski, Wydział Nauk Technicznych, Katedra Mechatroniki i Edukacji Techniczno Informatycznej, ul. Słoneczna 46a, Olsztyn, slawekw@uwm.edu.pl, 4 Politechnika Lubelska, student - stażysta 7806

2 δ a0 = 25 MPa jako kryterium certyfikacji połączeń gwintowych obciążonych zmiennymi obciążeniami cyklicznymi. Każda partia wyrobów powinna być zbadana na wytrzymałość zmęczeniowa przy sinusoidalnych asymetrycznych cyklach zmiennych naprężeń przy zachowaniu następujących charakterystyk cykli naprężeń: naprężenie średnie δ m = (0,6 0,8) δ max, amplituda cyklu δ a0 = 25 MPa, liczba cykli obciążenia N=2x10 7 MPa [1]. Badania wytrzymałościowe łączników gwintowych mogą być także prowadzone w kierunku określenia wpływu technologii wykonania i wartości momentu dokręcającego na wytrzymałość zmęczeniową. Rozkład nacisków na gwincie, zarówno w kierunku osiowym jak i promieniowym, nie jest równomierny. W powszechnie spotykanych złączach śruba jest rozciągana a nakrętka ściskana. Skutkiem tego pierwsze zwoje gwintu śruby w pobliżu powierzchni oporowej nakrętki są silnie przeciążone. Połączenia gwintowe są zdolne do samoczynnego zwiększania wytrzymałości w przypadku gdy naprężenia w najbardziej obciążonych nitkach gwintu przekroczą granicę plastyczności materiału. W rezultacie tego odkształcenia na długości gwintu wyrównują się. Śruby odkształcone plastycznie w czasie dokręcania mają więc znacznie większą trwałość zmęczeniową niż dokręcone znamionowym momentem. Zjawisko to jest charakterystyczne dla połączeń gwintowych wykonanych z miękkich i plastycznych stali. W łącznikach wykonanych z materiałów twardszych i o większej wytrzymałości, zdolność ta jest znacznie mniejsza. [2] W połączeniach śrubowym poddanych obciążeniom zmiennym powstają zmiany charakterystyczne dla zmęczenia materiałów. Rozwijające się mikropęknięcia łączą się aż do zniszczenia elementu. Ogniska zmęczeniowe znajdują się z reguły w miejscu największego spiętrzenia naprężeń czyli bruzdy gwintu. Na wytrzymałość gwintu duży wpływ ma sposób w jaki został on wykonany. Gwinty walcowane posiadają znacznie większą wytrzymałość od gwintów wykonanych w procesie skrawania, zarówno w wypadku obciążeń stałych jak i zmiennych. Dzieje się tak ponieważ podczas walcowania struktura materiału zostaje ukierunkowana a naprężenia ściskające dodatkowo wpływają na wzrost wytrzymałości gwintu. Z badań wynika, że graniczna amplituda naprężeń w złączu z gwintem walcowanym wzrasta o ok. 50% w porównaniu z gwintem skrawanym. Wpływ na wytrzymałość zmęczeniową ma zmiana fizykochemicznych właściwości warstwy wierzchniej. Powstający w warstwie wierzchniej zgniot a także włóknista struktura metalu w znacznym stopniu podwyższa cykliczną wytrzymałość złączy gwintowych. [2] 2 STANOWISKO DO BADAŃ ZMĘCZENIOWYCH Stanowisko do badań wytrzymałościowych składa się z podstawy na której zamocowany jest układ napędowy stanowiący motoreduktor 112M-4 o mocy N=4 kw i maksymalnym momencie obrotowym T=2480 Nm. Na podstawie znajdują się gniazda mocujące cztery kolumny. Kolumny te stanowią oparcie dla płyt górnej i dolnej. Płyta dolna zamocowana jest luźno na kolumnach, od góry oparta jest o sprężynę, której napięcie można regulować nakrętką. W górnej części kolumny mocowana jest na stałe płyta górna. Płyty na powierzchniach czołowych posiadają wyfrezowane rowki teowe. W rowki te wchodzą trzpienie uchwytów roboczych. Na wale wyjściowym motoreduktora znajduje się tarcza. Na obwodzie obrotowo zamocowana jest rolka. Tarcza z rolką stanowi element krzywkowy. Po zamocowaniu uchwytu z badaną śrubą, śruba jest rozciągana pod wpływem sił pochodzących od sprężyn. Mechanizm krzywkowy obracając się powodując podniesienie płyty dolnej i zwolnienie obciążenia śruby. Proces ten powtarza się cyklicznie wraz z obrotem tarczy. Cykliczne obciążenia śruby prowadzone jest aż do momentu jej zerwania. Motoreduktor połączony jest z falownikiem, który dzięki zmianie częstotliwości prądu powoduje zmianę prędkości obrotowej wirnika w silniku co przekłada się na zmianę prędkości obrotowej krzywki. Rolka zamocowana na tarczy spełnia także rolę nadajnika sygnałów dla układu zliczającego liczbę cykli. Zastosowano tu czujnik elektrooptyczny, który liczy obroty dzięki zjawisku przerwania sygnału emitowanego z jednej płytki na drugą. Przebieg zmian naprężeń w badanych śrubach rejestrowany jest za pomocą tensometrów. Aparatura pomiarowa ma za zadanie zarejestrowanie po jakiej liczbie cykli i z jaką częstotliwością ich występowania nastąpi zniszczenie próbki. 7807

3 Projektowane stanowisko do badań wytrzymałościowych umożliwia badanie śrub poddanych różnym obciążeniom. Dzięki zastosowaniu płyt z rowkami teowymi oraz dzięki specjalnej konstrukcji uchwytów, możliwe jest sprawdzenie wytrzymałości zmęczeniowej przy rozciąganiu, ścinaniu i rozciąganiu mimośrodowym połączonym ze zginaniem rys. 2. Na projektowanym stanowisku przewiduje się możliwość badań śrub z zakresu M6 M10. Projekt stanowiska został uzupełniony o analizę wytrzymałościową jego części składowych. Badaniom wytrzymałościowym przeprowadzonym z zastosowaniem MES poddano elementy które mają decydujący wpływ na funkcjonalność stanowiska, tj. uchwyty do mocowania śrub oraz płyty. Na rysunku 3 przedstawiono rezultaty modelowania uchwytu do badań rozciągających. Przekrojami krytycznymi były tu przejścia pomiędzy częścią walcową a częściami prostopadłościennymi oraz element otrzymujący łeb śruby. Wyniki modelowania potwierdziły prawidłowość wykonania uchwytów, nie przekroczono naprężeń dopuszczalnych Rys. 1. Model stanowiska do badań wytrzymałościowych śrub Rys. 2. Uchwyty robocze do badań zmęczeniowych śrub poddanych naprężeniom ścinającym i rozciągającym wraz ze zginaniem W płytach górnej i dolnej elementami krytycznymi ze względu na wytrzymałość były powierzchnie rowków teowych. Sprawdzeniu poddano także przemieszczenia punktów na powierzchni płyty w przypadku oddziaływania siłowego płyt na badana próbkę rysunki 4 5. Badania wykazały dużą sztywność płyt. Największe przemieszczenia występują w miejscach mocowania płyty na kolumnach stanowiska, najmniejsze w miejscu umieszczenia uchwytu. Potwierdzono także prawidłową geometrię wnętrza rowka teowego w płycie (rys. 6) powstające naprężenia w wyniku ścinania i zginania nie przekraczają wartości dopuszczalnych. 7808

4 Rys. 3. Analiza naprężeń zredukowanych oraz przemieszczeń w uchwycie do badań rozciągających śrub Rys. 4. Analiza naprężeń zredukowanych w górnej płycie Rys. 5. Analiza przemieszczeń w górnej płycie 7809

5 Rys. 6. Fragment płyty górnej rowek teowy, koncentracja naprężeń w miejscu oparcia uchwytu Streszczenie Połączenia gwintowe w rzeczywistych warunkach eksploatacji poddawane są naprężeniom zmiennym. Kryterium zdolności do pracy połączeń obciążonych cyklicznie jest wytrzymałość zmęczeniowa scharakteryzowana przez wartości naprężeń amplitudowych i średnich. Kolejnym wyznacznikiem trwałości jest technologia wykonania łącznika gwintowego. Błędy wykonania oraz warunki eksploatacji powodują spiętrzenie naprężeń, powstawanie ognisk zmęczeniowych i w rezultacie pęknięcie śruby. Przedstawiono model urządzenia przeznaczonego do badań wytrzymałościowych przy zmiennych obciążeniach, scharakteryzowano jego parametry użytkowe. Zaprezentowano wyniki modelowania MES wybranych elementów stanowiska. Position for examinations of durability of screws Abstract Screw joints in the real level of service are being surrendered to changeable stresses. Cyclically a fatigue strength is a criterion of the capacity to work of burdened connections. It is marked by values of amplitude stresses and of averages. A technology of making the thread elevated walkway is a next indicator of the permanence. Run-time errors and the level of service cause piling stresses up, coming into existence of endurance bonfires and as a result crack of the screw. A model of the appliance was described intended endurance examinations at changeable burdens, his functional parameters were characterized. Results of the modelling of Messes of chosen elements of the position were presented. BIBLIOGRAFIA 1. Artimow I, Kurenkow S.: Problematyka certyfikacji połączeń gwintowych. Folia Societatis Scientarum Lublinensis, vol.9, 2006, s Nieoczym A., Szabajkowicz W.: Montażowe połączenia gwintowe. Oficyna Wydawnicza Politechniki Rzeszowskiej, Rzeszów