Dobór materiałów konstrukcyjnych cz. 8 dr inż. Hanna Smoleńska Katedra Inżynierii Materiałowej i Spajania Wydział Mechaniczny, Politechnika Gdańska Materiały edukacyjne
Koło zamachowe Ashby M.F.: Dobór materiałów w projektowaniu inżynierskim. WNT. Warszawa 1998
Funkcja: magazynowanie energii Cel: optymalny dobór materiału dla uzyskania maksymalnej energii zmagazynowanej Ograniczenia: w czasie pracy nie może dojść do uszkodzenia koła Cechy geometryczne: pełen dysk o promieniu R i grubości t obracający się z prędkością ω U energia gromadzona w kole ; J moment bezwładności U 1 J U R 4 4 t
m Masa dysku: R t Cel: maksymalizacja energii kinetycznej na jednostkę masy koła U m 1 4 R Wzrost prędkości obrotowej wzrost ilości zmagazynowanej energii ale także wzrost naprężeń odśrodkowych, które mogą osiągnąć wartość niszczącą: max 3 8 R f
Po podstawieniu: U m S 3 f Najlepsze materiały mają największą wartość wskaźnika funkcjonalności: M f
Czy ołów to dobry wybór? Jakie materiały mają najwyższe wartości wskaźnika materiałowego?
Dobór materiałów Materiał M [kj/kg] komentarz Ceramika inżynierska 00-000 (tylko przy ściskaniu!) Krucha wyeliminować CFRP 00-500 Najlepsza funkcjonalność poprawny dobór GFRP 100-400 Prawie tak dobre jak CFRP ale tańsze znakomity wybór Beryl 300 Dobry ale drogi, trudny do przetwarzania, toksyczny Stale wysokowytrzymałe 100-00 Materiały o zbliżonej Wysokowytrzymałe stopy Al 100-00 funkcjonalności. Stale i stopy Al tańsze niż stopy Mg i Ti Wysokowytrzymałe stopy Mg 100-00 Stopy tytanu 100-00
A co z materiałami tradycyjnymi? Materiał M [kj/kg] komentarz Stopy ołowiu 3 Duża gęstość sprawia, że są Żeliwa 8-10 dobrymi, tradycyjnymi materiałami gdy funkcjonalność jest limitowana prędkością obrotową koła, a nie wytrzymałością materiału
Porównanie zdolności do magazynowania energii Ołów 3 kj/kg Żeliwo 10 kj/kg Kompozyt żywica epoksydowa zbrojona włóknem szklanym 150 kj/kg Benzyna ok. 0 000 kj/kg? Jakieś pomysły?
WIRÓWKA
WIRÓWKA Urządzenie wykorzystujące działanie siły odśrodkowej, służące do rozdzielania mieszaniny cieczy na składniki o różnej gęstości lub do oddzielania ciała stałego od cieczy oraz do odwadniania ciał stałych; stosowane do odtłuszczania mleka, oczyszczania cieczy z zawiesin i osadów, do usuwania wilgoci z tkanin.
Zwykle składa się z napędu i rotora (wirnika) utrzymującego kilka pojemników szklanych lub plastikowych. Typowe rodzaje to wirówki talerzowe i bębnowe (filtracyjne i sedymentacyjne) oraz ultrawirówki o prędkości obrotowej kilkanaście tys. obrotów na min. służące do rozdzielania układów koloidalnych. W klasycznej wirówce pojemniki mocowane są sztywno pod określonym kątem. Najnowsze konstrukcje przewidują zastosowanie wirnika z wahliwym zamocowaniem pojemników.
Czy funkcje i wymagania materiałowe są takie same jak w poprzednim przypadku?
Z czego można wykonać wirnik?
Wymagania: maksymalna skuteczność co oznacza uzyskanie maksymalnej siły odśrodkowej przy minimalnej masie wirnika. Ograniczenia: wirnik musi wytrzymać działanie siły odśrodkowej bez uszkodzenia materiału Siła odśrodkowa Fc: mv F C r gdzie m i r to masa i długość ramienia, a V to prędkość obwodowa (1)
Zależności: mv F c r m Ar V ( r ) n A powierzchnia przekroju ramienia. Zależność na siłę odśrodkową można przedstawić: F c mg rm(r ) 3 m rm m n s
Ograniczenia: A F V Tc F Tc σ A. Wprowadzając to ograniczenie : Wskaźnik materiałowy: V M maks
Wartości graniczne dla analizowanego przykładu: -prędkość obrotowa (n) : 6000 obr/min - długość ramion wirnika (r): 0 x 10 - m. V [6000/ 60( sek)] 1010 ( m) 16ms 1 Rozsądek nakazuje zastosować współczynnik bezpieczeństwa 4 ze względu na działanie siły F Tc M 3 m V 16 310 s
Wybrani kadydaci do dalszej analizy Materiał * [MPa] [Mg/m 3 ] K Ic [MPa m 1/ ] M=/ [(ms -1 ) x 10 3 Aluminium 04T4 500,8 35 178 Ti-6Al-4V 850 4,4 100 193 CFRP (XP EPC F001; 55% C) 1000 1,5 33 670 Stal nierdzewna (30) 600 7,8 90 77 Stop magnezu ZC 71 (Mg-6,5Zn-1,5Cu- 0,75Mn) 30 1,9 17 168 Nylon 6/6 60 1,1 55 * granica sprężystości, a dlaczego?
Analiza wyników poszukiwania Stop magnezu niska odporność na zmęczenie i nagłe pękanie WYELIMINOWAĆ Aluminium: Trzecia pozycja ze względu na M, dobre własności mechaniczne, niskie koszty i normalizacja, do zaakceptowania. Ti-6Al-4V: dobre własności wytrzymałościowe, wysoki koszt, średnie wartości M
Kompozyt z włóknami węglowymi : najlepsze wskaźniki wytrzymałościowe, wysoki koszt, brak pełnej powtarzalności właściwości ze względów bezpieczeństwa - konieczność zwiększenia współczynników bezpieczeństwa. AISI 30 stal nierdzewna: niska odporność mechaniczna i duża gęstość, (wirnik ze stali byłby ~9 razy cięższy niż z kompozytu), przystępna cena, wysoka powtarzalność właściwości Nylon 6/6: niskie wartości wskaźników ale sztywność wystarczająca do tego zastosowania, niska wartość K Ic ale dla materiałów polimerowych należy zastosować inne wskaźniki odporności na kruche pękanie np. K Ic / E, problemem może być absorpcja wody(~1.0%), ciężki ze względu na duży przekrój
Wirnik powinien także tłumić drgania a jego częstotliwość rezonansowa f r nie powinna kolidować z prędkością obrotową tj. 100 Hz ( najlepsze w tym względzie są kompozyty a następnie stopy aluminium). Z tego punktu widzenia akceptowane mogą by wszystkie materiały dla których częstotliwość rezonansowa jest wyższa niż 100 Hz.