CC BY
2
НАЗЕМНЫЕ ТРАНСПОРТНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА
И КОМПЛЕКСЫ
УДК 62-21
Б01: 10.24412/2071-6168-2024-4-302-303
ПРОЕКТИРОВАНИЕ МНОГОСЛОЙНЫХ КОРПУСНЫХ КОМПОЗИТНЫХ КОНСТРУКЦИЙ
М.В. Астахов, Е.В. Славкина, Л.В. Астахова
Приведены основные причины низкого срока службы корпусных металлических элементов. Отмечена перспективность применения конструкций из полимерных композитных материалов благодаря их коррозионной стойкости. Выявлен основной недостаток композитных конструкций - низкая прочность при ударных воздействиях. Предложено применение многослойной корпусной сэндвич-панели, содержащей прослойку неньютоновской жидкости - полисиликона, способной поглощать энергию удара. Представлены результаты испытаний композитных образцов на ударную вязкость, где наилучшие результаты отмечены у группы, содержащей полисиликон в крупных ячейках. Предложена методика расчета размеров ячеек для заполнения полисиликоном, опертых на упругое основание, в зависимости от воздействующей нагрузки.
Ключевые слова: полимерный композитный материал, коррозионная стойкость, ударная стойкость.
Металлофонд Российской Федерации составляет около 1600 млн т, при этом до 10-15 % представляют невозвратные потери, связанные с коррозионным разрушением. Потери стали при этом достигают 30 % от ее ежегодного производства [1]. Срок службы корпусных элементов оборудования и машин, используемых при работе с агрессивными средами или на открытом воздухе значительно меньше, чем на транспорте или в общей промышленности. Для ликвидации ущерба, нанесенного агрегатам вследствие коррозионно-механического изнашивания, требуется до 30 % средств от общих затрат на восстановление их работоспособности [2-4].
Из-за коррозии, с одной стороны, снижается прочность деталей, а с другой - увеличиваются внешние нагрузки на них в процессе эксплуатации. Повышаются коэффициенты трения при взаимодействии корродированных поверхностей рабочих органов с обрабатываемой средой. В результате происходит деформация и частичное разрушение конструкционных элементов, устраняемое путем проведения ремонтных работ [5-7].
Описанные выше проблемы традиционных конструкций, согласно общемировой тенденции, в последние десятилетия решают путем замены стальных деталей и узлов композитными или пластиковыми, поскольку эти материалы не подвержены коррозии, имеют меньшую массу изделия при одновременном увеличении их надежности и ресурса, а также соответствуют современным экологическим требованиям [8-10].
К недостаткам несущих конструкций, изготовленных из полимерных композитных материалов (ПКМ), можно отнести низкую устойчивость к ударам, сосредоточенным на небольших участках. Одним из наиболее опасных видов удара для данного класса материалов является поперечный удар относительно армирующих слоев композита. Это может приводить к расслаиванию в структуре материала, что, в свою очередь, негативно отражается на некоторых прочностных характеристиках композита [11].
Перспективным направлением в этой области является применение корпусных конструкций из композитных материалов с сотовой многослойной структурой, часть внутренних объемов (сосудов) которой заполнена неньютоновской жидкостью - полисиликоном [12]. Это позволит в момент удара изменить механические свойства и прочность сэндвич-панели в целом, поглотить внешнюю кинетическую энергию, сохранить корпусную конструкцию неповрежденной, практически без увеличения общей массы. Данный подход дает возможность рассматривать композитную конструкцию как квазиадаптивную.
Пример такой структуры представлен на рис. 1. При установившемся режиме работы корпусная конструкция упруго деформируется под действием расчетных внешних сил на основании закона Гука. При ударных воздействиях, сосредоточенных на малой площади, один из слоев композитной структуры, содержащий неньютоновскую жидкость, затвердевает с образованием длинных молекул и меняет свои механические характеристики с увеличением прочности конструкции, поглощая энергию удара.
Механические характеристики полисиликона справедливы только для упругого его состояния, то есть во время деформации при ударе твердого тела о поверхность конструкции.
Однако, при экспериментальных тестированиях образов полисиликона было замечено, что следует размещать их в сосудах ограниченной площади, опирающихся на упругое основание [12]. Для подтверждения этой гипотезы выполнен ряд лабораторных тестирований образцов на удар маятниковым копром МК-300 с пневмоподъ-емом молота. Максимальная энергия маятника - 450 Дж. Результаты испытаний фиксировались на аналоговой шкале и в микропроцессорном блоке ПО-4Т, с помощью которого автоматически определялась работа удара.
Для испытаний были изготовлены образцы десяти типов:
№ 1 - пустотелый чехол из папиросной бумаги, служащий формой для полисиликонового параллелепипеда;
№ 2 - пустотелый чехол из папиросной бумаги, заполненный полисиликоном;
№ 3 - стеклопластиковые соты с матрицей из эпоксидной смолы, дибутилфталата и полиэтиленполиами-на без продольных отверстий;
№ 4 - стеклопластиковые соты с матрицей из эпоксидной смолы, дибутилфталата и полиэтиленполиами-на с четырьмя продольными сквозными отверстиями в стенках сот (рис. 2);
№ 5 - стеклопластиковые соты, заполненные полисиликоном;
№ 6 - стеклопластиковые соты, заполненные полисиликоном с четырьмя продольными сквозными отверстиями в стенках сот;
№ 7 - пустотелые стеклопластиковые параллелепипеды;
№ 8 - параллелепипеды, заполненные стеклопластиковыми сотами;
№ 9 - пустотелые стеклопластиковые параллелепипеды, заполненные полисиликоном;
№ 10 - параллелепипеды, заполненные стеклопластиковыми сотами и полисиликоном.
Рис. 1. Композитная сэндвич-панель, нагруженная нормальной распределенной нагрузкой с/
и ударной нагрузкой Р , приложенной в точке А : 1- полисиликон; 2 - внешний слой из ПКМ; 3 - стенки между ячейками с полисиликоном
\2_ \
Рис. 2. Образец 4 пиша: 1 - пластины из ПКМ на основе стеклоткани; 2 - соты из стекалопластика (размеры в мм); 3 - продольные сквозные отверстия для полисиликона
Группы образцов № 4 и № 6 были изготовлены в связи с тем, что согласно [13], длинные молекулы полисиликона до удара запутаны и имеют слабые водородные связи, а во время удара распрямляются. Предполагается, что такие распрямленные длинные молекулы ведут себя во время удара как балки на упругом основании, поэтому расположение полисиликона по длине образца в продольных отверстиях может привести к большему поглощению энергии удара. Соты верхней и нижней части данных образцов были заклеены папиросной бумагой во избежание утечек полисилкона.
Способность материала сопротивляться ударным нагрузкам характеризуется ударной вязкостью, которая определяется отношением величины работы, затраченной на разрушение образца, к площади его поперечного сечения в месте излома.
Работа копра при тестировании без образца фиксировалась и вычиталась из средних значений работы в каждой группе при тестировании с исследуемым объектом. Удар копром по образцу за счет высоты подъема молота преобразует запас начальной потенциальной энергии в работу по деформации и разрушению образца Ан .
Ударная вязкость определяется зависимостью:
А
КС = -н , (1)
I ■ ь
где Ан - работа, затраченная при разрушении образца на копре, Дж, I - ширина образца, м, Ь - толщина образца, м.
Энергия, затраченная на процесс волнообразования в полисиликоне не учитывалась.
Результаты лабораторного тестирования представлены в таблице. Работа по разрушению образца получена в виде средних значений среди каждой группы. Для вычисления ударной вязкости использованы геометрические параметры образов (рис. 2).
На основании полученных результатов, наибольшее значение ударной вязкости имеют образцы группы № 9, где тестируется стеклопластиковый параллелепипед, содержащий стеклопластиковые соты, заполненные по всему объему полисиликоном. Наличие продольных отверстий, заполненных неньютоновской жидкостью, создает распрямление длинных молекул в дилатанте во время удара, что предполагает возникновение упругого слоя достаточно большой площади, который перераспределяет энергию упругой деформации на несущее основание. Для эффективного
восприятия ударных воздействий, полисиликон следует расположить между упругими конструкционными элементами, которые кроме передачи нагрузок должны выполнять функции стенок сосудов для ограничения течения дила-танта (в случае отсутствия ударных нагрузок).
Результаты исследования ударной вязкости
Номер группы Среднее значение работы по разрушению образца на копре Ан , Дж Ударная вязкость, КС, кДж/м2
1 0,67 0,26
2 2,53 0,97
3 3,62 1,39
4 3,62 1,39
5 4,73 1,82
6 6,77 2,60
7 74,17 28,53
8 97,95 37,67
9 118,31 45,50
10 106,28 40,88
Таким образом, экспериментальным путем доказана необходимость размещения полисилкона в крупных ячейках. Опираясь на технологию изготовления пространственных сотовых структур, выявлено, что шестигранная форма элемента является наиболее рациональной для промышленного производства.
Для упрощения выполнения расчета шестигранная форма ячейки может быть аппроксимирована с приемлемой точностью окружностью радиуса г , вписанную в ячейку. Это обусловлено тем, что полисиликон 1, находясь в ячейке 3 в момент удара приобретает упругие свойства и при своем «затвердевании» может считаться тонкой пластинкой на упругом основании, роль которого играет стенка 2 из полимерного композитного материала (рис. 1).
Дифференциальное уравнение изгиба пластинки на упругом основании [14, 15]:
а 2 . 1 й I й2м . 1 йм> I а - км
--•- --+--•- —-А-—
+Г-4,-4^=0' (2)
Екк3 -
йг2 Г аг | аг2 Г йг) в
где М - прогиб пластинки; а - интенсивность статически приложенной распределенной нагрузки; в =_
(1-у)
цилиндрическая жесткость; V - коэффициент Пуассона; Е - модуль Юнга; км - реакция упругого основания;
к - коэффициент постели, Ь - толщина пластинки.
Если поперечную нагрузку а , имитирующую боковой удар, сосредоточить в центре пластины в виде силы Р , то прогиб (в центре) будет выражен формулой (3). При ударе слой полисиликона превращается в упругую пластинку, но в зоне контакта с композитной стенкой шестигранной ячейки у нее могут преобладать свойства вязкой жидкости, что следует аппроксимировать граничными условиями свободного опирания по контуру вписанной в ячейку окружности.
Тогда максимальный прогиб пластинки можно определить по формуле:
мтах = Р12/зВ' (3)
где I = 4Щк .
Изгибающие моменты, действующие в пластинке по окружным (Мг) и диаметральным сечениям (М¡) и отнесенные к единице длины, будут:
" ' Р 11 + V II 1п--У I-
4п
Р
Мф = —
(1 + V 1п2-у]-1 (1 + V); (4)
4п
(1 + ^ -у]- 1 (1 + V)
(5)
где у = 0,577 - постоянная Эйлера.
Приведенные формулы неприменимы для точек в непосредственной близости от центра пластинки, но определив по ним возникающие максимальные напряжения, возможно интерполировать значения и для центральной части.
Представив нагрузку р в виде ударной, можно воспользоваться формулой (6), для нахождения максимального напряжения при ударе [16]:
/ \ Р ЕЬ3
сттах = 0,275(1 + V )—I %—, (6)
ь кк
при г < 1,724к , к = ^1,6г2 + к2 - 0,675к; при г > 1,724к , / = г;
при г = 0 получается выражение для сосредоточенной силы.
Коэффициент постели к [15] вычисляется по модели слоистого полупространства, причем для каждого
слоя с номером / = (1^ п) необходимо рассчитать приведенный модуль продольной деформации.
Е = Е_(1 - *1 (7)
Епр Е (1 + V)(1 - 2v), (7)
Коэффициент постели будет:
ь - _
=12(1 + Vi )(1 - 2 уг)
4(1 - 2Vj)
£ Ei(1 - у, hB? Л - e~2nki ], (8)
4 1 - 2V 2
где у, = . x u , Ap - площадь опирания пластинки (Ap =nr ), B, - постоянная, при i = 1, B, = 1, при
П (1 - V, )2
i >1, B, = B^j-e (Yiki-1).
На основе экспериментальных исследований установлено, что наилучшей конструкцией на основе ПКМ для восприятия ударных нагрузок является сэндвич-структура, содержащая в качестве внутренней прослойки крупные соты, заполненные полисиликоном. При этом технологически целесообразно изготавливать соты с шестригран-ной формой ячеек.
Теоретически обосновано расположение полисиликона в крупных сотовых ячейках, которые, в связи со сложностью расчета, были аппроксимированы окружностью. С использованием данного допущения получены зависимости, описывающие максимальный прогиб прослойки при воздействии ударной силы. Выявлены взаимосвязи между изгибающими моментами, действующими в пластинке по окружным и диаметральным сечениям, и геометрическими параметрами ячейки и свойствами заполняющей ее дилатантной жидкости. Для эффективного восприятия ударных воздействий, полисиликон следует расположить между упругими конструкционными элементами, которые, кроме передачи нагрузок, должны выполнять функции стенок сосудов для ограничения течения дилатантной жидкости в случае отсутствия динамических нагрузок.
Данные формулы могут быть пригодны при проектировании корпусных квазиадаптивных многослойных композитных конструкций.
Список литературы
1. Ингибиторы коррозии (обзор) / Л.С. Козлова, С.В. Сибилева, Д.В. Чесноков, А.Е. Кутырев // Авиационные материалы и технологии. 2015. №2. С. 67-75.
2. Шлыков А.Е., Тарукин Е.М., Калашов А.А. Сравнительный анализ ингибиторов коррозии // The Agrarian Scientific Journal. 2018. №. 8. С. 68-71.
3. Оценка поврежденности металлоконструкций грузоподъемных машин при совместном действии коррозии и усталости и оптимизация их диагностирования / Г.В. Селиверстов, В.Ю. Анцев, Н.В. Анцева, К.С. Коломиец // Черные металлы. 2020. № 3. С. 52-57.
4. Взаимосвязь усталостных и коррозионных процессов при оценке ресурса несущих металлоконструкций грузоподъемных машин / Г.В Селиверстов., К.С. Коломиец, В.Ю. Анцев, Н.В. Анцева // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2021. Вып. 3. С. 132-137.
5. Мухаметшина Р. М. Отказы дорожно-строительных машин по параметрам коррозии // Известия Каз-ГАСУ. 2013. №4 (26). С. 403-408.
6. Оптимизация режима оценки ресурса металлоконструкций в системе технического обслуживания и ремонта грузоподъемных машин / В.Ю. Анцев, К.С. Коломиец, Н.В. Анцева, А.Н. Шафорост // Сб. докладов 57-й науч.-практич. конф. профессорско-преподавательского состава ТулГУ с всеросс. участием: в 2 ч. 08-12 февраля 2021. Тула: Изд-во ТулГУ, 2021. Ч. 2. С. 186-191.
7. Анцев В.Ю., Ковалева А.Е. Повышение эффективности функционирования системы планово-предупредительного ремонта грузоподъемного оборудования на предприятиях // Сб. статей Всеросс. науч.-техн. конф. «Управление качеством в образовании и промышленности»: 20-21 мая 2021. Севастополь: Изд-во СевГУ, 2021. - С. 5-10.
8. Каблов Е.Н. Композиты: сегодня и завтра // Металлы Евразии. 2015. №1. С. 36-39.
9. Тимошков П.Н., Хрульков А.В., Язвенко Л.Н. Композиционные материалы в автомобильной промышленности (обзор) // Труды ВИАМ. 2017. №6 (54). С. 61-68.
10. Дасковский М.И., Дориомедов М.С., Скрипачев С.Ю. Систематизация базисных факторов, препятствующих внедрению полимерных композиционных материалов в России (обзор) //Труды ВИАМ. 2016. №. 5 (41). С. 42-50.
11. Астахов М.В., Славкина Е.В. Повышение стойкости к ударным воздействиям композитных узлов сельхозмашин применением упруговязкопластичных жидкостей // Инженерные технологии и системы. 2020. Т. 30. № 2. С. 268-286.
12. Астахов М.В., Славкина Е.В. К вопросу проектирования балочного элемента на основе полимерных композиционных материалов с учетом ударных воздействий // Инженерный журнал: наука и инновации. 2020. № 4 (100). С. 1-13.
13. Cross R. Elastic and Viscous Properties of Silly Putty // American Journal of Physics. 2012. Vol. 80. Issue 10.
P. 870-875.
14. Вольмир А.С. Расчет пластинок. Справочник машиностроителя. Т. 3. М.: Машгаз, 1955. 380 с.
15. Пастернак П.Л. Основы нового метода расчета фундаментов на упругом основании при помощи двух коэффициентов постели. М.: Госстройиздат. 1954. 56 с.
16. Гиясов Б.И., Серёгин Н.Г., Серёгин Д.Н. Трехслойные панели из полимерных композиционных материалов. М.: Изд-во АСВ. 2015. 64 с.
Астахов Михаил Владимирович, д-р техн. наук, профессор, mvastahov@bmstu. ru, Россия, Калуга, КФМГТУ им. Н.Э.Баумана,
Славкина Екатерина Викторовна, старший преподаватель, slavkina@bmstu. ru, Россия, Калуга, КФ МГТУ им. Н.Э.Баумана,
Астахова Лариса Васильевна, старший преподаватель, astahova@bmstu. ru, Россия, Калуга, КФ МГТУ им. Н.Э.Баумана
DESIGN OF MULTILAYER HULL COMPOSITE STRUCTURES M. V. Astakhov, E.V. Slavkina, L. V. Astakhova
The main reasons for the low service life of body metal elements are given. The prospects for using structures made ofpolymer composite materials due to their corrosion resistance are noted. The disadvantages of composite structures have been identified - low strength under impact. It is proposed to use a multilayer sandwich panel containing a layer of non-Newtonian liquid - polysilicon, capable of absorbing impact energy. The results of tests of composite samples for impact strength are presented, where the best results were observed in the group containing polysilicon in large cells. A method is proposed for calculating the size of cells for filling with polysilicon, supported on an elastic base, depending on the applied load.
Key words: polymer composite material, corrosion resistance, impact resistance.
Astakhov Mikhail Vladimirovich, doctor of technical sciences, professor, mvastahov@bmstu. ru, Russia, Kaluga, Bauman Moscow State Technical University (Kaluga Branch),
Slavkina Ekaterina Viktorovna, senior lecturer, slavkina@bmstu. ru, Russia, Kaluga, Bauman Moscow State Technical University (Kaluga Branch),
Astakhova Larisa Vasilievna, senior lecturer, astahova@bmstu. ru, Russia, Kaluga, Bauman Moscow State Technical University (Kaluga Branch)
УДК 621.86
DOI: 10.24412/2071-6168-2024-4-306-307
ПАРАМЕТРИЧЕСКАЯ УНИФИКАЦИЯ КОЛЕС МОСТОВЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ КРАНОВ
П.В. Витчук, Е.В. Славкина, В.В. Зезюля, А.А. Карпов
Приведены основные причины низкого эксплуатационного ресурса ходовых колес механизмов передвижения грузоподъемных кранов. Отмечено влияние геометрических параметров ходовых колес на их массу. Из одиннадцати типоразмеров ходовых колес, применяемых в мостовых кранах грузоподъемностью от 5 до 50/12,5 т, выявлены имеющие избыточный запас прочности по контактным напряжениям. Предложено введение параметрической унификации ходовых колес, которая может быть достигнута на основе увеличения перечня исполнений кранов, в составе которых будут использованы только колеса четырех наиболее распространенных диаметров - 250, 400, 500 и 630 мм. Проведены сравнительный анализ и оценка эффективности применения рекомендуемых диаметров колес по сравнению с существующими.
Ключевые слова: ходовое колесо, мостовой кран, параметрическая унификация.
Эффективность использования грузоподъемной машины напрямую связана с выработкой номинального ресурса ее узлов. Несмотря на ежегодные совершенствования конструкций кранов, в настоящее время наблюдаются многочисленные отказы механизмов передвижения.
Согласно опыту эксплуатации грузоподъемных кранов [1], одной из распространенных причин отказов является износ ходовых колес. Многолетние исследования, проводимые ВНИИПТМАШ [2], указывают на их низкий эксплуатационный ресурс по сравнению с теоретически расчетными значениями. Это подтверждается данными, представленными в работах [3-5]. Например, фактический средний срок службы ходовых колес мостовых кранов составляет от 4 до 10 месяцев, тогда как расчетный срок службы должен составлять от 4 до 12 лет в зависимости от режима работы механизма и машинного времени работы в часах. Низкая долговечность ходовых колес более, чем в 90 % случаях, обусловлена износом реборд [5-8]. Это приводит к увеличению временных и экономических затрат, связанных с ремонтными работами, которые могут достигать до 12 % общего времени простоев крана.
В настоящее время заводы выпускают мостовые электрические краны в 45 исполнениях, ожидается увеличение номенклатуры на основе расширения рядов грузоподъемности. В составе этих кранов используют колеса одиннадцати различных диаметров по ГОСТ 28648 - 90 «Колеса крановые». Геометрические параметры колес напрямую влияют на их массу, а значит и стоимость.
Поскольку, как ранее отмечалось, в подавляющем большинстве случаев износ крановых ходовых колес происходит не по поверхности качения, а по ребордам, то применение большой номенклатуры диаметров колес не является целесообразным. Актуальной является унификация колес мостовых электрических кранов грузоподъёмностью от 5 до 50/12,5 т, которая может быть достигнута путем увеличения перечня исполнений кранов, в составе которых будут использованы только колеса четырех наиболее распространенных диаметров - 250, 400, 500 и 630 мм.
Идея параметрической унификации, впервые сформулированная Н.М. Колпаковым в работе [9], базируется на проверке соответствия колес с определённым значением диаметра заданному сроку службы и напряжению контакта обода колеса с рельсом. Параметры колеса должны удовлетворять системе неравенств:
306
