Szybkobieżne Pojazdy Gąienicowe (19) nr 1, 2004 Zbigniew RACZYŃSKI Jacek SPAŁEK DOŚWIADCZALNE OKREŚLENIE WPŁYWU KSZTAŁTU ŁBA ŚRUB MOCUJĄCYCH ŁOŻYSKO OBROTNICY ŻURAWIA NA WYSTĘPUJĄCE W NICH NAPRĘŻENIA MONTAŻOWE Strezczenie: W opracowaniu przedtawiono problem wpływu kztałtu łba śrub mocujących łożyko obrotnicy do podtawy żurawia na wytępujące w nich naprężenia wywołane momentem dokręcającym. Wykazano doświadczalnie, że wartość tych naprężeń wpływa itotnie na czułość określenia momentu obciążenia roboczego żurawia, wyznaczonego poprzez pomiar zczeliny pomiędzy czołową powierzchnią wieńca łożykowego a płazczyzną podtawy żurawia. 1. WSTĘP Dźwignice, dla których wymaga ię udowodnienia tateczności, tj. żurawie powinny być wypoażone w ograniczniki obciążenia, wyłączające po przekroczeniu dopuzczalnego obciążenia dźwignicy wzytkie ruchy robocze, oprócz opuzczania ładunku i ruchów zmniejzających moment wywracający. Ogranicznik obciążenia powinien zadziałać przy przekroczeniu obciążenia nominalnego o wartość nie więkzą niż 15% [1]. Obecnie w ogranicznikach obciążenia wykorzytuje ię wiele metod pomiaru momentu wywrotu żurawia. Powzechnie toowany jet np. pomiar ciśnienia w cylindrze podnośnika żurawia nad i pod tłoczykiem oraz pomiar kąta pochylenia i długości wyięgnika, a natępnie przeliczanie uzykanych parametrów przez terownik mikroproceorowy na moment obciążenia żurawia. [2]. W wojkowych pojazdach zabezpieczenia technicznego WZT-3 użytkowanych przez Wojko Polkie touje ię ograniczniki obciążenia [1], w których zatoowano bezpośrednią metodę pomiaru momentu obciążenia żurawia, polegającą na pomiarze wielkości zczeliny pomiędzy podtawą żurawia, a płazczyzną oadczą obudowy łożyka obrotnicy (ry. 1). Wykorzytano tutaj fakt, że pod wpływem momentu obciążenia działającego na wyięgnik żurawia, w śrubach mocujących obudowę łożyka wyięgnika do podtawy powtają dodatkowe naprężenia rozciągające. Zgodnie z prawem Hooke a, pod wpływem naprężeń, śruby ulegają wydłużeniu względnemu o wartość = l/l = /E, gdzie: E moduł Younga. Do 1991 roku w żurawiach TD50 pojazdu WZT-3 do mocowania obudowy łożyka obrotnicy do podtawy toowane były śruby M20x2 z łbem tożkowym, dokręcane momentem 250 +30 Nm (ry. 1a). Szczelina l przy podtawie żurawia mierzona była indukcyjnym czujnikiem przeunięcia ICP [3] względem nieruchomej zwory czujnika momentu CM. dr inż. Zbigniew RACZYŃSKI, dr inż. Jacek SPAŁEK - Ośrodek Badawczo-Rozwojowy Urządzeń Mechanicznych OBRUM, Gliwice
Zbigniew RACZYŃSKI, Jacek SPAŁEK Przeprowadzone badania wykazały, że w tym rozwiązaniu elektronicznego ogranicznika obciążenia, w zakreie momentu obciążenia powyżej 50%, wartość nominalnej zczeliny przy podtawie mocowania łożyka zmienia ię liniowo w funkcji momentu obciążenia. Podkreślić należy przy tym, że uzykiwany przyrot bezwzględny zczeliny l zależy również od momentu wtępnego dokręcenia śrub mocujących obudowę łożyka. Przy zmianie momentu obciążenia roboczego w granicach do 100%, uzykuje ię zczelinę l rzędu (0,12 0,22)mm. Takie wartości zczeliny l łatwo można przetworzyć na ygnał elektryczny momentu, wykorzytywany przez elektroniczny ogranicznik obciążenia. a) b) Ry. 1. Fragment poadowienia obudowy łożyka żurawia: a - mocowanego śrubami z łbem tożkowym ze zkicem toru pomiarowego momentu obciążenia ogranicznika, b - mocowanego śrubami z łbem płakim. W 1992 roku zotała wprowadzona zmiana kontrukcyjna podtawy żurawia, w wyniku czego śruby z łbem tożkowym zatąpiono śrubami M20x2 z łbem walcowym (ry. 1b). Okazało ię, że śruby z łbem walcowym (dokręcane tym amym momentem 250 Nm co śruby z łbem tożkowym), pod wpływem działania znamionowego momentu obciążenia ulegają prawie dwukrotnie mniejzemu wydłużeniu, niż śruby z łbem tożkowym toowane w poprzednich werjach żurawi. Pogorzyło to znacznie dokładność przetwarzania ogranicznika obciążenia. Aby ocenić wytępujące zjawiko, obydwa rodzaje śrub poddano badaniom modelowym. W niniejzym artykule zotaną przedtawione wybrane fragmenty rozważań teoretycznych i otrzymanych wyników badań przy zatoowaniu obydwu rodzajów śrub.
Wykorzytanie akcelerometru przypiezeń bezwzględnych do pomiaru przemiezczeń kątowych 2. ANALIZA TEORETYCZNA STANU NAPRĘŻEŃ W ŚRUBACH MOCUJĄCYCH ŁOŻYSKO WIEŃCOWE DO PODSTAWY ŻURAWIA W analizie tanu naprężeń w śrubach złączy wyróżnia ię kilka charakterytycznych przypadków obciążenia [4]. Rozpatrywane zagadnienie jet przypadkiem złożonym, w którym śruby złącza: łożyko wieńcowe podtawa obciążone ą iłą wzdłużną montażową FW, a natępnie dodatkowo iłą FR wynikającą z oddziaływania zewnętrznego obciążenia roboczego. W rozważanej ytuacji, w wyniku działania momentu roboczego MR połowa śrub ulega dodatkowemu działaniu iły rozciągającej (+FR) a połowa jet ścikana iłą (-FR). Naprężenia wynikowe w śrubach zależą zarówno od naprężeń wtępnych c zwanych też montażowymi, jak i od naprężeń roboczych r. Okazuje ię, że naprężenia wynikowe c nie ą protą umą arytmetyczną W + R lecz do ich wyznaczenia należy użyć formuły ogólnej o potaci: c w R (1) gdzie: - wpółczynnik ztywności złącza uwzględniający ztywność trzpienia śruby C oraz ztywność tzw. kołnierza Ck związanych zależnością: C C C k (2) Łatwo zauważyć, że wpółczynnik ztywności złącza śrubowego pełnia warunek 1. Wyznaczenie ztywności rdzenia śruby C nie przedtawia trudności, gdyż przyjmując liniową zależność pomiędzy naprężeniem a odkztałceniem względnym (prawo Hooke a), dla przypadku rozciągania otrzymujemy: C l E A (3) gdzie: E - A - l - moduł prężytości dla materiału śruby, pole przekroju poprzecznego śruby, długość trzpienia śruby (bez łba śruby). Natomiat wyznaczenie ztywności łączonych elementów jet trudne, gdyż nie można w proty poób wyznaczyć ztywności kołnierzy C, która wiąże ię z określeniem tzw. tożka wpływu uwzględniającego oddziaływanie łba śruby na powierzchnie łączone. Zagadnienie to można rozwiązać numerycznie dla konkretnej potaci kontrukcyjnej łączonych elementów i łba śruby. W analizowanym przypadku można twierdzić ogólnie, że ztywność kołnierza dla śrub z łbem tożkowym będzie więkza niż dla kontaktu z kołnierzem śrub poiadających łeb walcowy. Skutkiem tego ą mniejze naprężenia rozciągające w śrubie, a zatem i mniejze wydłużenie względne (mniejza wartość zczeliny l). Zatem aktualnie najlepzą metodą rozwiązania zagadnienia naprężeń w śrubach złączy z tzw. napięciem wtępnym, jet ich wyznaczenie na drodze badań doświadczalnych.
Zbigniew RACZYŃSKI, Jacek SPAŁEK 3. DOŚWIADCZALNE WYZNACZENIE NAPRĘŻEŃ W ŚRUBACH Aby określić odkztałcenia dla obydwu rodzajów śrub żurawia, wykonano pecjalny model urządzenia badawczego (ry. 2). Na gładkich powierzchniach śrub naklejono po dwa tenometry T1 i T2, które w układzie półmotkowym podłączono do dwóch kanałów urządzenia pomiarowego UPM60, mierzącego wydłużenie względne i = li/l badanych śrub (ry. 3). Ry. 2. Model urządzenia badawczego śrub Śruba z łbem tożkowym T 1 T 2 URZĄDZENIE T k1 T k2 UPM60 Śruba z łbem płakim T 1, T 2 T k1, T k2 T1, T2 tenometry aktywne, T k1, T k2 tenometry kompenacyjne Ry. 3. Schemat podłączenia tenometrów do urządzenia UPM60 Po zamontowaniu badanych śrub w urządzeniu badawczym i wyzerowaniu obydwu kanałów, śruby dokręcano znanym momentem w zakreie (150 300) Nm, rejetrując każdorazowo mierzone wydłużenia względne śrub. Korzytając z zależności prawa Hooke a, obliczono naprężenia w badanych śrubach. Do obliczeń przyjęto moduł Younga dla tali E = 2,1x10 5 MPa.
Wykorzytanie akcelerometru przypiezeń bezwzględnych do pomiaru przemiezczeń kątowych Pomiary naprężeń badanych śrub wykonano dla dwóch przypadków: - gwint śrub pokryto marem, łby śrub (powierzchnie robocze) były uche, - całe śruby były pokryte marem. Wyniki pomiarów przedtawiono w tablicy 1, a ich ilutrację graficzną na ry. 4. Tablica 1. Wyniki pomiarów naprężeń w śrubach. Lp Śruba z łbem tożkowym Śruba z łbem walcowym [ m/m] [MPa] [ m/m] [MPa] 1 0 0 0 0 2 667 140,1 523 109,8 3 890 186,9 763 160,2 4 1159 243,4 1025 215,6 5 1385 290,9 1280 268,8 6 0 0 0 0 7 751 157,7 942 197,8 8 931 195,5 1172 246,1 9 1167 245,1 1486 312,1 10 1390 291,9 1728 362,9 Moment dokręcenia [Nm] 0 150 200 250 300 0 150 200 250 300 Uwagi Tylko gwint śrub pokryte marem Gwint i łby śrub pokryte marem Ry. 4. Charakterytyki naprężeń w śrubach z łbem płakim i tożkowym: a - gwint marowany, łby śrub nie pokryte marem, b - gwint i łby śrub marowane
Zbigniew RACZYŃSKI, Jacek SPAŁEK 4. OMÓWIENIE OTRZYMANYCH WYNIKÓW BADAŃ Z analizy otrzymanych pomiarów wynika, że: - w trzpieniu śruby z łbem tożkowym naprężenia wytępujące w części roboczej śruby praktycznie nie zależą od tego, czy łeb śruby jet pokryty marem, czy też jet niemarowany, - w śrubie z łbem płakim, naprężenia w części roboczej śruby zależą od tanu płakiej powierzchni kontaktu z podłożem. Pomarowanie płakiej części łba śruby marem, powoduje przenieienie więkzej części momentu dokręcenia na część roboczą, a w konekwencji znaczące zwiękzenie naprężeń wytępujących w śrubie. W omawianym przypadku, w śrubie z łbem walcowym pokrytym marem na całej powierzchni, przy momencie 250 Nm naprężenia ą ok. 45% więkze, w porównaniu ze śrubą z łbem płakim nie pokrytym marem. 5. WNIOSKI KOŃCOWE Stoowanie w tarzych werjach żurawi śrub z łbem tożkowym, mocujących wieniec łożyka do podtawy żurawia, zapewniło tabilniejze wkazania elektronicznego ogranicznika obciążenia, niż w obecnie toowanych werjach żurawi ze śrubami z łbem walcowym. Zatoowanie śrub z łbem płakim, mocujących łożyko żurawia, narzuca konieczność bezwzględnego marowania całej powierzchni śruby, aby zachować powtarzalność charakterytyk naprężeń, a co za tym idzie - charakterytyk pomiarowych zczeliny w podtawie żurawia od momentu jego obciążenia. Ponieważ przy tym amym momencie dokręcenia śrub, naprężenia w śrubie z łbem walcowym ą więkze, niż naprężenia w śrubie z łbem tożkowym (ry. 5b), to dla otrzymania tej amej zczeliny, potrzebnej do określenia momentu indukcyjnym czujnikiem przeunięć ogranicznika obciążenia, śruby te powinne być marowane na całej powierzchni i należy je dokręcać zmniejzonym momentem rzędu 200 Nm. 6. LITERATURA [1] PN-90/M-45013. Dźwignice. PKNMiJ, Warzawa 1990. [2] Elektryczny ytem terowania i zabezpieczeń żurawia TD-50 z mikroproceorowym ogranicznikiem obciążenia MAK 1.2. Intrukcja obługi. STK Serwi Techniczny. [3] Elektroniczny Ogranicznik Obciążenia EO.101. Dokumentacja Techniczna. [4] Badania poznawcze śrub z łbem tożkowym TD50.00.014-A i śrub z łbem płakim TD50.00.014-2. Prace włane (nie publikowane). OBRUM, Gliwice 09.2002r. INFLUENCE OF SHAPE OF HEAD OF SCREW FASTENING BEARING OF CRANE ON TENSIONS CALLED OUT WITH MOMENT SCREWING TIGHT Abtract: The paper characterized problem of influence of change of hape of head of crew fatening bearing of crane to bae, on change of initial tenion in crew fatening bearing. In conequence follow change of tenderne of meaurement of moment of charge of crane, meaured on rule of meaurement of crevice coming into being in bae of crane under influence of moment of charge. Recenzent: dr inż. Andrzej SZAFRANIEC