ЗАКРЫТ;pdf

УДК 621.771.06
Артюх В. Г.
ЭКСТРУЗИОННЫЕ ПРЕДОХРАНИТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА
С ЗАПОЛНИТЕЛЕМ ЭЛАСТОМЕРОМ
В Днепропетровском металлургическом институте им. Л.И.Брежнева (ныне
ГМетАУ) еще в 1986-88 гг. были разработаны конструкции предохранителей,
основанные на экструзии (продавливайии) расходуемого элемента (свинца) через
стальные отверстия-фильеры [1, 2]. Однако с точки зрения простоты конструкции,
удобства зарядки, усталостной прочности расходуемого элемента гораздо более
предпочтительными являются экструзионные предохранители с заполнителемэластомером, созданные на кафедре "Сопротивление материалов" Мариупольского
металлургического
института
(ныне
ПГТУ).
Устройство
экструзионного
предохранителя с заполнителем-эластомером показано на рис. 1. Он установлен
между нажимным винтом I и подушкой 2 прокатного валка и включает плунжер 3,
образующий совместно с корпусом 4 цилиндрическую полость, заполненную
эластомером 5. Плунжер снабжен буртом 6, ограничивающим его перемещение
заранее заданной величиной. В боковых стенках корпуса выполнены отверстия 7,
размещенные по периметру внутренней поверхности боковых стенок [3].
П р и перегрузках в рабочей клети давление, передаваемое на эластомер,
продавливает последний через отверстия 7; при этом плунжер 3 перемещается в
осевом направлении, и валки раздвигаются на величину осадки плунжера, уменьшая
обжатие раската. Особо следует отметить, что осадка устройства происходит не на
всю потенциальную величину
а только на такую величину, которая позволяет
снять возникшую перегрузку (см. рис. 1). Это снижает динамические нагрузки на
элементы клети и позволяет использовать данный предохранитель как многоразовый.
Выполнение
отверстий
в
боковых
стенках
корпуса
обеспечивает
компактность устройства по
высоте, т. к. экструзия эластомера в этом случае
происходит в поперечном направлении в пространство, свободное от размещения в
нем деталей прокатной клети. Отверстия 7 моїут быть цилиндрическими или
комбинированными, т. е. имеющими цилиндрический и конический участки.
Уширение отверстий от внутренних к внешним поверхностям боковых стенок
позволяет уменьшить сопротивление перемещению частиц эластомера после их
прохождения через отверстия - фильеры. Величину сопротивления эластомера
экструзии
определяет цилиндрический
участок
фильеры,
примыкающий
к
внутренней поверхности боковой стенки [4J.
Предложенное
устройство
работоспособно
при
любом
характере
распределения отверстий по периметру внутренней поверхности боковых стенок
корпуса. Однако при равномерном их распределении плунжер 3 не перекашивается и
точность срабатывания предохранителя повышается. Все отверстия размещены в
плоскости, перпендикулярной оси нажимного средства и проходящей от внутренней
В одном -из вариантов данного устройства (рис. 2) между эластомером и
боковой стенкой корпуса размещена лента 8, отсекающая фильеры от эластомера, В
собранном виде устройство удерживается стяжным ботом 9. Лента существенно
повышает точность срабатывания данного предохранителя, однако это относится
только к первому срабатыванию. В дальнейшем предохранитель работает как
обычный
экструзионный.
Предохранительное
устройство
(ПУ)
сохраняет
работоспособность
до
тех
пор,
пока
суммарная
величина
осадки
В данном ПУ основными силами сопротивления, формирующими усилие
срабатывания, являются силы трения, причем как внутреннего, так и внешнего.
Потери на внутреннее трение (гистерезис) постоянны для каждого из эластомеров.
98
Рис. 1. Экструзионное предохранительное устройство:
1 - нажимное средство; 2 - подушка прокатного валка;
3 - пуансон; 4 - корпус, 5 - эластомер; 6 - бурт;
7 - отверстие-фильера;
- рабочий ход предохранителя
Для различных марок полиуретанов они составляют от 20% до 60% работы,
затраченной на деформирование. Внешнее трение - это трение в фильерах и трение
на стенках и днище предохранителя. Это трение нужно всеми способами уменьшать,
т. к. основная причина нестабильности рабочей характеристики ПУ - это
нестабильность сил внешнего трения. Поэтому в таких ПУ желательно применять
смазку на днище, внутренней части корпуса и фильерах. Чем меньшей будет доля
внешнего трения в образовании усилия экструзии, тем более стабильным будет это
усилие.
Рабочая характеристика модели экструзионного предохранителя (рис. 3) с
отверстиями в боковых стенках представлена на рис. 4. Диаметр
плунжера
Полученная рабочая характеристика (см. рис. 4) по целому ряду признаков подходит
для предохранителя рабочей клети. При малых габаритных размерах модели было
получено значительное усилие. Усилие плавно возрастало с увеличением осадки - это
ценное свойство предохранителя, предназначенного для работы в паре с другим
99
Рис. 2. Вариант выполнения экструзионного ПУ:
1 - нажимное средство; 2 - подушка прокатного валка;
3 - пуансон; 4 - корпус; 5 - эластомер; 6 - бурт;
7 - отверстие-фильера; 8 - срезная пластина;
9 - стяжной болг;
- рабочий ход предохранителя
предохранителем (например, в рабочей клети прокатного стана) [5] До начала
экструзии предохранитель получил упругую деформацию ок. 1 мм
Такая
деформация допустима для работы на обжимных станах; в других случаях ее надо
уменьшать.
Для получения требуемой рабочей характеристики нужно знать зависимость
равномерному распределению давления р* по торцу плунжера. Это подтверждается
всеми лабораторными экспериментами. Наибольшим является давление в центре
плунжера, наименьшим - у его края, при этом разность их не превышает 5% от
максимального, если
Опыты на моделях показывают, что на величину усилия экструдирования
влияют:
а) материал заполнителя;
б) диаметр и длина цилиндрического участка фильеры;
в) наличие смазки;
г) температура;
д) скорость деформации.
100
цилиндрического образца (с высотой, оольшеи, чем диаметр, и со смазкой на торцах).
Для такого образца влияние трения на торцах на рабочую характеристику
совершенно несущественно [9]. Рабочая характеристика должна записываться при
нагружении и при разгрузке. На рис. 5 показана характеристика цилиндрического
образца из полиуретана марки СКУ - ПФЛ - 100 с диаметром 70 мм, высотой 70 мм и
смазкой на торцах маслом «индустриальное-20». Испытания проводились на машине
ИМ-4А. Линия 1 нагружения и линия 2 разгрузки не совпадают, образуя петлю
гистерезиса. Величина внутреннего трения представляет собой отношение работы,
потерянной за один цикл нагружения, ко всей затраченной за один цикл работе; или,
другими словами, отношение площади петли гистерезиса (заштрихована на рис. 5) к
площади А О А В . Для полиуретана марки СКУ-ПФЛ-100 эта величина составляет
ПУ данного типа должно быть нечувствительным к усталостным
повреждениям. Этот вывод основывается на особенностях напряженного состояния
эластомера - заполнителя. При начале экструзии это напряженное состояние
103
Это напряжение совершенно безопасно для эластомера-заполнителя, в том
числе и при переменных нагрузках. Для разрушения эластомера данного типа
требуется напряжение, на порядок большее. Такое напряжение не может быть
получено в ПУ рассматриваемого типа, т. к. это означало бы добиться величины
давления
=1000...2000 МПа, что совершенно
не имеет смысла. При таком
давлении практически невозможно добиться прочности корпуса и эффективности
уплотнения пары "плунжер - корпус". Поэтому ПУ экструзионного типа должны
проектироваться на рабочее давление 50.. .200 МПа.
Выбор оптимального давления
должен основываться на следующих
соображениях:
1. Должна быть обеспечена
прочность
корпуса;
при
этом
конструкция
предохранителя не должна усложняться.
2. Упругая деформация ПУ при нормальной технологической нагрузке не должна
превышать допустимой для данного типа прокатного стана или другой
защищаемой машины.
3. Проблема уплотнения между плунжером и корпусом должна решаться
простейшим образом.
Перечисленные пункты ограничивают величину
сверху. Можно привести доводы
в пользу ограничения этой величины снизу. С минимально допустимым давлением
связаны габаритные размеры ПУ и распределение давлений по торцевому сечению
ПУ. На основании лабораторных опытов с ПУ данного типа и с другими
устройствами, содержащими заполнитель из эластомеров [10], оптимальной
величиной давления для различных типов защищаемых машин следует считать
Следующий важный вопрос - материал заполнителя. Известны сотни марок
эластомеров,
отличающихся
механическими
характеристиками,
технологией
изготовления, ценой. Более всего различаются эластомеры по жесткости.
Нормальный
модуль
упругости
для
эластомеров
находится
в
пределах
МПа. Соответственно и предельное давление при прочих
равных
параметрах ПУ будет изменяться в тех же пределах. Столь широкий диапазон
104
давлений явно излишен, поэтому достаточно рассмотреть эластомеры с диапазоном
модулей
МПа, что на практике означает резины и полиуретаны средней
и большой твердости. Опыты показывают, что упругая деформация заполнителя,
сжимаемого в замкнутом объеме, практически не зависит от величины Е, т. к.
объемный модуль упругости К практически одинаков для всех эластомеров
М П а ) . Для более мягкого эластомера нужно принять меньший диаметр
отверстия - фильеры, чтобы выйти на нужный уровень
и обеспечить уплотнение
пары «плунжер - корпус». При этом можно обеспечить такую же характеристику
ПУ, как и для жесткого эластомера-заполнителя. Прочность заполнителя также будет
В силу изложенного выше
можно считать, что в качестве эластомеразаполнителя применима любая резина, а значит - можно взять самую дешевую.
Величина
изменяется
в очень широких пределах и является главным
источником неточностей величины
Поэтому
желательно свести к минимуму,
поскольку полностью его устранить невозможно. Самым простым способом
уменьшения влияния является применение смазки, причем сам заполнитель может
быть не сплошным цилиндром, а составленным из множества резиновых дисков,
между которыми находится смазка (например, солидол); диски могут иметь
радиальные разрезы (рис. 6), облегчающие в связи с проникновением смазки в
разрезы
движение
эластомера
к
отверстиям-фильерам.
Кроме
всего
прочего, коэффициент
зависит от формы отверстий. Для снижения величины
нужно притупить острые кромки отверстий, сделать более плавными переходы от
корпуса к цилиндрической части фильер (рис. 7).
Рис. 6. Схема разрезов на круге листовой резины
105
Рис. 7. Форма отверстий-фильер
На рис. 8 показана рабочая характеристика ПУ, которое описано выше, в
варианте применения смазки. Устройство заполнено листами (дисками толщиной
10 мм) из полиуретана. В с е части заполнителя и внутренняя часть корпуса смазаны
солидолом. Усилие срабатывания такого предохранителя на 20% меньше, чем при
отсутствии смазки. При необходимости усилие срабатывания можно восстановить
на прежнем уровне, изменив параметры отверстий-фильер. Стабильность работы
такого предохранителя существенно выше, чем в варианте без смазки.
Опыт работы с различными моделями показал, что реальные
значения
Рис. 8. Рабочая характеристика экструзионного ПУ со смазкой
Источником нестабильности работы экструзионного ПУ могут служить
скорость нагружения и температура, при которой работает ПУ. Все это связано с
особенностями механических характеристик эластомеров. Известно [8], что
жесткость эластомеров зависит от скорости нагружения и от температуры внешней
среды (для формулы (1) это означает изменение величины
Для эластомеров существует понятие динамического модуля, который в
106
Рис. 9. Экструзионное ПУ с фильерами в днище.
1 - плунжер, 2 - корпус; 3 - эластомер; 4 - фильера;
5 - сменное днище
107
1,2... 1,8 раза больше статического. Это связано с
релаксационными явлениями,
протекающими в эластомерах при
обычных температурах и статическом
нагружении. Так, для наиболее
распространенных эластомеров СКУ-ПФЛ-70 и
СКУ-ПФЛ-100 динамический модуль примерно на 40% больше, чем статический, т.е.
Что касается температурного диапазона, то принято считать [8], что в
интервале температур
можно не учитывать изменение жесткости
эластомеров. Такой диапазон приемлем для большинства машин, если учесть, что
экструзионные ПУ обладают мощным корпусом, з а щ и щ а ю щ и м эластомер от влияния
излучения раската.
Сопротивление экструдированию может значительно
возрастать при
повышении скорости прохождения эластомера через фильеры. Большая скорость
создает дополнительное сопротивление даже при истечении жидкости. Повышенное
сопротивление вызвано существенной разницей в площадях поперечного сечения
плунжера и отверстий-фильер. Эту разницу можно уменьшить, если применить
большое количество отверстий-фильер.
П р и больших допустимых габаритах по высоте (например, если ПУ - это
противоаварийное буферное устройство на транспорте) можно разместить отверстия
по всей высоте корпуса и даже на днище. Для ПУ рабочей клети можно ограничиться
только отверстиями в днище, как показано на рис. 9. Для такого предохранителя
можно принять в формуле (2)
при
условии, что отверстия равномерно
распределены по днищу и количество их велико настолько, что площадь поперечного
сечения всех отверстий сопоставима с площадью поперечного сечения плунжера
Указанная конструкция имеет еще одно преимущество - в ней легко заменить
съемное д н и щ е на другое с иным набором фильер. Такая операция может
потребоваться при замене эластомера или при изменении внешних условий,
влияющих на жесткость эластомера. Для конструкций, изображенных на рис 1 и 2,
также могут быть разработаны сменные вставки-фильеры, позволяющие для одного и
того же корпуса менять диаметры фильер, регулируя тем самым
усилие
срабатывания предохранителя.
выводы
I.
2
3.
4.
Экструзионные
ПУ
с
заполнителем-эластомером
являются
универсальными. Их можно спроектировать на любые усилия и осадки.
Процесс срабатывания (разрушения эластомера) экструзионных ПУ
растянут во времени. Они допускают много срабатываний в пределах
максимально допустимой осадки.
Предложенные
конструкции
экструзионных
ПУ
практически
нечувствительны к накоплению усталостных повреждений, т.к. даже
при очень малой осадке начинает работать неповрежденных участок
(объем) эластомера.
Применение экструзионных ПУ ограничивается требуемой точностью
и упругой осадкой при нормальных технологических нагрузках.
Перечень ссылок
1.
2.
А с , 1328018 СССР, М К И В 21В 33/00. Предохранительно-разгрузочное
устройство прокатной клети / Гатщкиіі В.П., Корж А.П., Мясоед А.Ф.,
Лаврищев В.Э. (СССР).- №4043570/31-02, Заявлено 25.03.86; Опубл.
07.08.87, Бюл. № 2 9 . - Зс.
А с . 1405929 С С С Р , М К И В 21В 33/00. Предохранительно-разгрузочное
устройство прокатной клети / Гапицкий В.П, Корж А.П., Мясоед А.Ф.,
Лаврищев В.Э. (СССР)- №4175255/31-02; Заявлено 05.01.87; Опубл.
30.06.88, Бюл. №24 - 4с.
108
3.
Пат 2021860 Россия, МКИ В 21 В 33/00. Предохранительное устройство
прокатной клети / Артюх Г.В. (Украина)- №5033843/27; Заявлено
19.02.92; Опубл. 30.10.94, Бюл. №20.-7с.
4. Артюх
В.Г.
О
точности
срабатывания
предохранителей
для
металлургических машин // Вестник Приазовского гостехуниверситета.1997.-№3.-С, 106-110.
5. Артюх В. Г.
К
вопросу
выбора
рабочей
характеристики
предохранительного устройства // Придніпровський науковий вісник:
Машиностроение и технические науки.-1997.-№35(46).-С.22-24.
6. Артюх В.Г. Расчет экструзионного предохранительного устройства // V
регион, науч.- техн. конф.: Тез. докл. - Мариуполь, 1998 - Т.2.- С.38.
7. Артюх В.Г., Прилипко Р.В., Таран Д.А. Определение конструктивного
модуля полиуретанов // Ш регион, науч.- техн. конф.: Тез. докл.Мариуполь, 1995,- Т.2.- С. 35.
8. Артюх Г.В. Особенности
применения эластомеров для снижения
динамических нагрузок в металлургических машинах // Защита
металлург, машин от поломок,- Мариуполь, 1997. - Вып.2.- С 155-158.
9. Артюх В. Г. Влияние внешнего трения на прочность сжимаемых
образцов // V регион, науч.- техн. конф.: Тез. докл. - Мариуполь, 1998 Т.2.-С.15.
10. Артюх
В.Г.
Выбор
основных
конструктивных
параметров
предохранителя со срезной пластиной // Защита металлург, машин от
поломок.- Мариуполь, 1997.-Вып.2.-С. 122-126.
109