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 Katedra Mechaniki i Podstaw Konstrukcji Maszyn, Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny 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, 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
1. OBIEKT I METODA BADAŃ 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]. 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 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 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. 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]. 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 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. 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. 30
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 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. 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 gdzie: = (1) = Gt moduł odkształcenia postaciowego tworzywa EPY, Gs moduł odkształcenia postaciowego stali: Gs = 8,1 10 4 N/mm 2, (2) 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]. 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. 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 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. 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 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. 32
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) 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. 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. 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