CC BY
6
УДК 531.78
В.П. Кваснков, В.М. Селенков
Нащональний авгащйний утверситет, м. Кшв, Украта
ДОСЛ1ДЖЕННЯ М1ЦНОСНИХ ХАРАКТЕРИСТИК ДЕТАЛЕЙ ВЕРСТАТУ ДЛЯ Р1ЗАННЯ КЕРАМ1КИ
Дослгджено проблему оптимгзаци конструкцгй верстатгв для ргзання керамгки г визна-чення мгцностг ¿х деталей. Наведено аналтичний огляд дослгдження напружень в деталях з використанням ргзних способгв. Виконано аналгз експериментального дослгдження мщносних характеристик деталей дослгдного зразка верстату для ргзання керамгчного бруса пластичного формування. Вгдзначено, що быьшгсть деталей працюють зг значним запасом мгцностг г е можливгсть оптимгзувати параметри деталей. Зроблено аналгз результатгв експерименту з застосуванням методгв математичноI статистики.
Ключов1 слова: мщшсть, напруження, ргзання, тензометри, тарування.
Постановка проблеми
3 новими видами будГвельних матерГалГв про-довжують конкурувати добре вщомГ керамГчнГ каменГ та цегла. Це дозволяе економити дефГ-цитнГ метали. Попит на будГвельнГ матерГали ви-сокий, а виробництво не може в повнГй мГрГ забезпечити потреби державного та приватного господарства в керамГчних виробах
На сьогоднГ, внаслщок недолтв конструкцц, бГльшГсть верстатГв не забезпечуе правильнГсть геометрично! форми виробу, мае багато швид-козношуваних деталей, яю входять до пар тертя. Тому будь-яю роботи, спрямованГ на полшшен-ня обладнання для рГзання пластичного бруса, на зменшення частки ручно! пращ при форму-ваннГ Г вщборГ цегли-сирцю е актуальними. Тим бГльше, лГтературний огляд засвщчив, що всГ конструкцп цього обладнання виконанГ практично без достатньо! глибоко! теоретично! розробки особливостей кГнематики та динамГки [1].
ВагомГ спроби по оптимГзацГ! конструкцГй вер-статГв зробленГ ХаркГвським заводом «Красный Октябрь» та СГмферопольським машзаводом.
ДослГдженнями в цГй областГ займалася група спГвробГтникГв ЧПЬ Серед них Л.В. Титаренко, А.1. Боркун, В.П. Криштопа, М.1. Турган.
МодернГзацГя Гснуючого обладнання чи розроб-ка ново! конструкщ! повиннГ забезпечити збГльшен-ня продуктивностГ заводу, пГдвищення надГйностГ технологГчного обладнання Г забезпечити точнГсть та правильнГсть геометричних форм виробГв.
Важливим завданням Гнженерних розрахункГв е оцГнка мГцностГ елементГв машин за вГдомим напруженим станом. ПГд мГцнГстю розумГють здатнГсть конструкцп, 11 частин та деталей вит-римувати певне навантаження не руйнуючись. Класичним критерГем мГцностГ е механГчнГ на-пруження, котрГ можуть бути визначенГ безпо-середньо експериментально [2].
© В.П. Квасшков, В.М. Селенков, 2011
ISSN1727-0219 Вестник двигателестроения № 2/2011
ПриладГв, що безпосередньо дають напруження, немае. Тому вимГрюеться деформацГя на по-верхнГ деталГ, потГм обчислюються напруження на пГдставГ основних спГввГдношень мГж ними.
Основш методи визначення мехашчних напружень в деталях.
Мета дослщження
Так як деформащ! бГльшосп матерГалГв на етапГ пружно! роботи дуже малГ, то !х вимГрюють спецГ-альними приладами — тензометрами. По принципу дГ! розрГзняють три основних види тензо-метрГв: механГчнГ з важГльною системою; опти-ко-механГчнГ; електричнГ [3].
НайпростГший механГчний тензометр — шар-нГрно-важГльний [3]. ПрикрГплений до деталГ струбциною, тензометр вимГрюе змГну свое! бази Г через систему важелГв рухае стрГлку вщносно шкали, пропорцГйно подовженню бази. Шкала проградуйована в мГлГметрах. ТочнГсть подГлок шкали залежить вщ коефГцГента збГльшення к тензометра, який може дорГвнювати 1000...1200.
, Ь ■ Н
к = -
а ■ к
де Ь, Н, а та к — розмГри плеч важелГв (рис. 1).
Рис. 1. Схема важшьного тензометра: 1 — дослщний зразок; 2 Г 8 — шжки; 3 — шкала; 4 Г 7 — важелГ; 5 — рамка; 6 — тяга
В мехатчну систему тензометра можуть мон-туватися, наприклад, дзеркала або шдикатори годинникового типу.
Оптико-мехашчний тензометр Мартенса (рис.2) широко використовують в лабораторий практищ, так як вш дозволяе вим1рювати деформаций з високою точшстю [3]. Коефщент збшьшення приладу
k h L ■ tg 2a Dl d ■ sin a '
де
h — перемщення променю по шкат; Dl— змша довжини зразка; L — вщстань вщ зразка до планки з мтмет-ровою шкалою;
d — бжьша д1агональ призми, за звичай 4 мм; a — кут повороту дзеркала. Внаслщок малих значень кута повороту дзеркала a вважають значення tg2a = a та sina = a i вико-ристовують формулу
k=—. d
Рис. 2. Дзеркальний тензометр Мартенса 1 — дзеркало; 2 — призма; 3 — деталь; 4 — струбцина;
5— скоба; 6 — шкала; 7 — зорова труба
На практищ коефгщент збшьшення прийма-ють рiвним 500 i визначають вщстань L. Вщгак ведеться по положенню вiзирного волоска вщнос-но шкали, котру видно в зорову трубу.
1ндикаторний тензометр використовують для визначення лiнiйних перемщень при розтягу [3]. Подовження зразка 1 на довжит l передаеться стiйкою 2 на вимiрювальний стрижень шдика-тору 3. Вщстань мгж кшьцями 4 i 5 е базою тензометра (рис. 3).
Задовшьт результати також можна отрима-ти засгосувавши електротензометргю. Вимрюван-ня деформацп електричним методом можливе завдяки тому, що деформацiя викликае змiну деяких електричних параметрiв (опору, шдуктив-ностi, eмностi). Коефiцieнт тензочутливоси таких датчикiв можна обчислити теоретично або визначити шляхом тарування датчиюв. Рiзнi схеми включення датчиюв дозволяють не лише пщви-щити точнiсть вимiрювань, але й компенсувати, наприклад, дою навколишнього середовища. Най-бiльше використовуються дротовi тензодатчики опору, яю застосовують для вимiрювання i ди-намiчних навантажень. Набули поширення фоль-говi, напiвпровiцниковi та mmi датчики [3].
Зафiксувати елементарнi перемщення мож-ливо з використанням, наприклад, штерферо-метра Фабро-Перо з решпкою Брега. Таю при-лади мають високу точшсть i динамiчний дiапа-зон може бути пiдвищений до 10-5, але 1х вартiсть, в бшьшоси випадюв, значна i недоступна для бшьшоси споживачiв [4].
З метою визначення оптимальних розмiрiв деталей i вузлiв верстата, були проведет експери-менгальнi дослдження ¿¿х мiцностi в технологiчнiй лши Василькiвського цегельного заводу.
Обговорення результатш експерименту
Визначення напружень деталей (деформацш) проводилося так званим електротензометричним методом.
Вимiрювання деформацiй в деталях верстата виконувались з допомогою омiчних тензодатчиюв i комплекту приладiв (блока живлення «Агат», тензопщсилювача «Топаз» i свплопроменевого осцилографа НО 44.1) (рис. 4). Окрiм приладiв необхiцнi були дроти, припш, паяльник, реак-тиви, кювети, бачки, фотопгавки, касети тощо.
Рис. 3. 1ндикаторний тензометр
Рис. 4. Стенд для проведення випробувань
Експериментальне дослщження передбачало: приклеювання датчиюв та контактних колодок; добова сушка клейових з'еднань; налаштування комплекту приладдя; монтаж верстата в дгючу
технолопчну Л1шю; монтаж дротових з еднань датчик1в з п1дсилювачем; запуск верстата на ро-бочий режим; тарування датчикв на «нуль»; за-пис параметров на фотопл1вку; проявлення фо-топл1вки на м1ст1 проведення експерименту; об-робка осцилограм; анал1з отриманих результатов.
Використавши знання з теоретично! механ1-ки та опору матер1ал1в, а також практичний досвщ учасникв експерименту, були вибран1 для контролю 22 найб1льш ймов1рно навантажених точки верстату. В цих точках були наклеен1 тен-зодатчики, з однорщно! парти, та контакта! планки з застосуванням бакел1тно-фенольного клею. Недол1ком застосування тензодатчик1в е те, що 1х не можна перекле1ти з одн1е1 детал1 на 1ншу 1 виникае деяка неоднозначн1сть функцш пере-творення.
Тому датчики базою 20 1 50 мм 1 опором 200 Ом, наклеювалися на поверхн1 деталей у двох взаемноперпендикулярних напрямах у кожнй точц1 (рис. 5). Сушка клею велася протя-гом доби. Основна похибка дротяних тензорезис-тор1в може бути, як свщчить досв1д, меншою 1,5%. Врахувавши дю зоинппжх факторiв на мет-ролопчн1 характеристики наклеених тензорезис-тор1в, можна досягти похибки до 0,5...1,0% [5].
суючи параметри, ампл1туда котрих виходить за меж1 екрану.
Проявлеш фотопл1вки на м1сц1 перев1рялись на як1сне зображення осцилограм 1 взагал1 на засв1чування променем.
Тарування датчик1в виконувалось на спец1аль-но для цього розрахован1й 1 виготовлен1й плас-тин1 р1вного опору — балц1, заф1ксован1й одним к1нцем в опор1 (рис. 6) [2].
Рис. 6. Схема балки р1вного опору
Для проведення тарування пластини викори-стан1 маси (0,126 кг; 0,376 кг; 0,626 кг; 0,876кг). Ампштуди було записано на пл1вку осцилографа 1 побудовано тарувальний граф1к, з якого видно, що при таких навантаженнях залежн1сть на-пружень розтягу (стиску) е лшшною (рис. 7).
Розрахунок напружень розтягу 1 стиску а в пластин1 проводився за формулою
6М
де М - момент згинання (стиску), який роз-раховуемо за формулою м = С а; 8 - товщина пластини, мм; I - ширина пластини в зон1 датчика, мм; С - сила ваги, Н;
а - вщцаль в1д точки прикладання сили ваги на пластиш до середньо! л1н11 датчика, мм.
Рис. 5. Схеми та м1сця наклеювання 1 п1цк^чення тензодатчикхв
Тензорезистори приеднувались до п1дсилю-вача за мостовою схемою. Для максимально! ком-пенсаци дИ зовн1шн1х та внутр1шн1х збурювач1в, одне плече було максимально наближене до м1сця розташування робочого датчика 1 використана тридротова схема включення елемент1в.
Зм1ни напружень у деталях п1д час робочого 1 зворотного руху р1жучого органа ф1ксувались осцилографом на св1тлочутливу пл1вку. Св1тло-променевий осцилограф НО44.1 дозволяе рее-струвати зм1нн1 по часу дванадцять р1зноман1т-них механ1чних процес1в, що отриман1 вщ дат-чик1в електричних сигнал1в. Точку променя мож-на в1зуально спостер1гати на матовому екран1, що дозволяе економити фотоматер1али не запи-
Рис. 7. Тарувальний графж
Тарування датчик1в виконувалось на початку 1 в к1нц1 зам1ру напружень в кожн1й точц1 з на-ступною побудовою тарувальних граф1к1в. Напру-
а =
8 ■ I
1727-0219 Вестник двигателестроения № 2/2011
- 231 -
ження в кожнГИ точщ записувались мшшум три рази. Обчислене середне арифметичне значения приймалося для подальших розрахункГв. Розра-хунки показали, що максимальнГ напруження склали: на стиск - 53,50 МПа, на розтяг -51,80 МПа. В деяких точках деформаци були не-
значш, в деяких — майже не фГксувались Г !х можна прийняти рГвними нулю [6].
Результати масштабГв иапружеиь для кожного датчика обчислювалися з точнГстю до трьох знакГв, тобто до10-3 МПа, а результати напру-жень - з достатньою точнГстю до 10-2 МПа.
(29,30 - 30,55)2 + (30,50 -30,55)2 + (31,85 - 30,55)2 , ст = л-= 1,2757
3-1
12757 12757
30,55 - 2,92^^- < а < 30,55 + 2,92-
л/3
л/3
27,967 < а < 33,1328
Отриманий туканий довГрчий штервал 27,967<а<33,1328 покривае невГдоме математичне очГкуваиия а з ГмовГртстю 0,90.
ТочнГсть оцГнки математичного сподГвання генерально! сукупностГ за вибГрковим середнГм 5 = 2,5828.
Виконаемо ймовГртсно-статистичну оцшку дослГдження. Для оцГнки результату експеримен-ту були вибранГ значення напружень в точцГ 5, котрГ мали иаИбiльшi показники як на розтяг так Г на стиск. В точщ 5 маемо по три значення напружень: на розтяг 29,30; 30,50; 31,85 МПа Г на стиск 10,55; 11,50; 12,30 МПа [7].
ПеревГрка нульово! гшотези про рГвшсть ге-
иеральиих дисперсГй а 2 бшьшо! Г меншо! нор-мальних сукупностей, проведена обчисленням зиачеиия критерГю спостережень Рсп
Реп = ^М ;
Рсп = 1,627/0,484 = 3,362 Г за таблицею критичних точок розподолу ФГшера-Снедекора, за заданим рГвнем значимосп а та числом степешв свободи к^п-1, к2=П2-1 (к^ — число степенГв свободи бГльшо! виправлено! дисперси) значено критичну точку Ркр(а; к, к2) [6]. Якщо Рсп< ¥ то результат задовГльний.
Ркр(а = 0,05; к1 = 2, к2 = 2)=19,0; 3,362<19,0.
3найдемо довГрчий Гнтервал для оцГнки з надГй-нстю у = 0,90 невГдомого математичного очГку-вання а нормально розиодГлено! ознаки Xгене-рально! сукупностГ, якщо генеральне середне квадратичне вГдхилення не вГдоме, вибГркове середне хв =30,55 та об'ем вибГрки п = 3.
- 5 - 5
х в -1 у 1= < а < х в + 1у 1= V« V«
де ^ — «виправлене» вибГркове середне квадратичне вГдхилення; у — знаходять за таблицями
по заданих п Г у.
X (х1- х в)2
п -1
Висновки
АналГз результатГв показуе, що бГльшГсть деталей верстата мають завищений запас мГцностГ й працюють Гз значним недовантаженням. Роз-мГри Г маси були значно зменшеш в результатГ доробки конструкцГй деталей верстата. Верстат вмонтований в виробничу лГнГю Жаботинсько-го цегельного заводу, про що е акт впровад-ження.
Застосувавши методи статистичного аналГзу можна спробувати спрогнозувати розмГри деталей, а в подальшому можливо й створити пара-метричний ряд верстатГв на замовлення спожи-вача за видом Г кшьыстю виробГв, врахувати !х фшансовГ можливосп.
Перечень ссылок
1. Комар А.Г. Строительные материала: и изделия. — М.: Высш. шк., 1983. — 487 с., ил.
2. Писаренко Г.С. Отр матерГалГв: ПГдручник / Г.С. Писаренко, О.Л. КвГтка, Е.С.Уманський; за ред. Г.С. Писаренка. — 2-ге вид., допов. Г пере-робл. — К.: Вища шк., 2004. — 665 с.: Гл.
3. Рубашкин А.Г. Лабораторные работы по сопротивлению материалов Учебное пособие. Изд. 3-е. М., «Высшая школа», 1971.
4. Измерение абсолютной деформации с помощью интерферометра Фабро-Перо со свето-водной решеткой Брэгга./ЕкЙгоп. ЬеИ. 2000. 36, №8, с. 708-709, 2 ил.
5. Электрические измерения электрических и неэлектрических величин / Под ред. Е.С.Поли-щука. — К.: Вища школа, 1984. - 360 с.
6. Експериментальш дослГдження мГцностГ деталей верстата для рГзання цегли / В.М. СелГн-ков // Вкник ЧГТГ Всеукрашський щокварталь-ний науково-техиiчниИ журнал , Черкаси, ЧГГ1, 1998 .- №1. - с. 51-52.
7. Селенков В.М. Метролопчна атестащя стенду для вимГрювання напружень верстату для рГзання цегли // 1нтегроваш Гнтелектуальш ро-бототехнГчнГ комплекси. ИРТК'2011 : Четверта мГжнар. наук.-практ. конф. : тези доп. / М-во освГти Г науки, молодо та спорту Украши, Нац. авГацшний ун-т. — К., 2011. — с. 212-214.
Поступила до редакцп 31.05.2011
а =
В.П. Квасников, В.Н. Селенков. Исследование прочностных характеристик деталей станка для резания керамики
Исследована проблема оптимизации конструкций станков для резания керамики и определения прочности их узлов. Приведен аналитический обзор исследования напряжений в деталях с использованием различных способов. Сделан анализ прочностных характеристик деталей экспериментального образца станка для резания керамического бруса пластического формования. Отмечено, что большинство деталей работают со значительным запасом прочности и есть возможность оптимизировать параметры деталей. Сделан анализ результатов эксперимента с использованием методов математической статистики.
Ключевые слова: прочность, напряжения, резанье, тензометры, тарирование.
V.P. Kvasnikov, V.M. Selenkov. Research on strength characteristics of details ofmachine forcutting ceramic
Research on optimization of design of machines for cutting ceramic and determining the strength of their parts was conducted. Analytical review of research of details' stress using different methods is provided. Analysis of experimental research of the strength characteristics of parts of prototype machine for cutting a ceramic timber of plastic formation was conducted. Pointed out that most parts work with considerable reserve of strength and there is a possibility to optimize parameters of parts. The analysis of results of experiment using the methods of mathematical statistics was conducted.
Key words: strength, stress, cutting, strain gauges, calibration.
ISSN 1727-0219 Вестник двигателестроения № 2/2011
- 233 -
