Читать книгу: «Молот. Эскизы-описания», страница 2

Кольцевая пружина

Кольцевая пружина для предохранения анкерных шпилек от перегрузок.

Материал пружины Сталь 60С2Н2А ГОСТ 14959-79.

Первый класс – циклическая нагрузка на Пять миллионов циклов

по Анурьеву выпуска 2001 г. – Десять миллионов циклов

из сталей 60С2А и 65С2ВА ГОСТ 14963-69 HRC 46 … 52..

и из стали 50ХФА ГОСТ 14963-69 HRC 44 … 50..

допускаемое касательное для этих сталей не более 56 кгс/кв.мм.

Применим сталь 60С2А ГОСТ 14959-79. Предел текучести 143 кгс/кв.мм.

Предел прочности 163 кгс/кв.мм. Ресурс принимаем = 5000000 циклов.

Допускаемое напряжение на растяжение Вд = 9600 кгс / кв.см.

Закалка с 870 градусов в масло затем отпуск с 420 градусов..

Рассчитываем наружное кольцо пружины при работе испытывающей напряжения

растяжения. Внутренняя пружина испытывает напряжения сжатия – что менее опасно.

Величины напряжений и деформация при равенстве поперечных сечений одинаковы.

Поэтому внутреннее кольцо считать не будем.

Кольцевая пружина – внешнее кольцо.

Pii = 3,1415926 … Число Пи…

Е = 2000000 кгс / кв.см. Модуль упругости стали..

Максимальное осевое усилие вдвигающее конус в коническую расточку кольца принимаем равной: Q = 20000 кгс. При силе отдачи станины на одну шпильку равной

Qот = 9472 кгс.

Предполагаемый коэф. трения на конусе: Ктр = 0,1.. ( вибрация уменьшает трение)..

Угол трения: Gt = arctan ( 0,1 )… Gt = 5,6666666º…

Наружный диаметр кольца: Ф = 130 мм.

Внутренний цилиндрический участок: Фв = 104 мм. Длина Lв = 3 мм.

Полная высота кольца пружины L = 15 мм.

Коническая расточка внутреннего диаметра:

Угол: Образующая – Ось кольца: G = 20º.. Высота расточки Lк = 12 мм.

Наибольший диаметр расточки: Фк = ( Lк × 2 × ( tan 20º )) + Фв.. Фк = 112,7353 мм.

Площадь поперечного сечения кольца пружины: S = 1,68794 кв.см.

Объем кольца пружины: V = 62,8739 куб.см.. Масса = 0,49356 кг…

Средний диаметр кольца пружины: Фср = V / ( S × Pii )…

Фср = 62,8736 / ( 1,68794 × 3,1415926 ) .. Фср = 11,85662 см… Фср = 118,5662 мм.

Gsf = 461030/2725231222…

Так как угол трения значительно меньше угла конуса – при снятии нагрузки пружина

вернется в исходное положение.. При этом часть энергии израсходуется на трение на

конусе – поэтому колебания при снятии нагрузки быстро затухнут..

Удельное давление на кольцо при внедрении конуса:

.g = Q / ( Pii* Ктр*L* Фср*((0,34202/ Ктр)+0,9397)).. В.С. Поляков стр, 156..

Где: 0,3420201 – синус 20 градусов. 0,9397 – косинус 20 градусов..

20 градусов – угол осевая – образующая конуса.

.g = 20000 / ( Pii* 0,1*1,5*11,85662 *4,36).. .g = 821 кгс/кв.см.

Расчет ведем по формулам для цилиндра под давлением. По Даркову стр 674…

Радиальное напряжение:

X=g*Rv*Rv/((Rn*Rn)-(Rv*Rv))

Y=Rn*Rn/(Rv*Rv)

Br=X*(1-Y).... # Радиальное напряжение

Где: Rn = 6,5 см – Наружный радиус цилиндра.

Rv = 5,92831 см. – Внутренний радиус цилиндра.

# …

X=821*5,92831 *5,92831 /((6,5*6,5)-( 5,92831 *5,92831))…

X=4061…

Y=6,5*6,5/(5,92831 *5,92831)… Y=1,20217…

Br=4061*(1-1,20217).... Br= -821 кгс / кв.см… # Радиальное напряжение

# ....

Тангенцальное ( растягивающее ) напряжение в кольце.

Bt=X*(1+Y) # Тангенциальное напряжение

Bt=4061*(1+1,20217 ) … Bt= 8943 кгс / кв.см… # Кольцо прочно…

# …

Развернутая длина кольца Ср = Фср * Pii.. Ср = 11,85662 * Pii.. Ср = 37,24867 см.

Удлинение средней линии при напряжении Вt = 8943 кгс/кв.см. по закону Гука

.dL = Cр* Вt/Е.. dL = 37,24867 * 8943/2000000.. dL = 0,1666 см.. или увеличение диаметра dФ = 0,053017 см.. dФ = 0,53017 мм.. Так как внутреннее кольцо сжимается на ту же величину, то общее изменение диаметра dФ = 1,0603 мм.. Изменение радиуса

dR = 0,53017 мм. Осадка конуса под нагрузкой dH = dR/(tan 20).. dH = 0,53017 /0,36397..

dH = 1,457 мм.. ( осадка пары конус – кольцо, без учета трения на конусе ).

Расчет производим по И.А. Биргеру. Стр. 173..

Тангенциальное ( растягивающее ) напряжение в кольце Вt = 8943 кгс / кв.см.

Что меньше допускаемого. Пружина будет более долговечна..

# ,,,,,,,

Проверим расчет исходя из заданной осадки конуса dH = 0,7285 мм..

( без учета сжатия конуса и без учета трения на конусе ).

Изменение радиуса при осадке dR = dH * tg 20.. dR = 0,7285 * 0,36397..

dR = 0,2652 мм. Изменение диаметра dd= 0,5303 мм.

Изменившийся средний диаметр Фсри = 118,5662+0,5303 = 119,0965 мм.

Изменившаяся длина окружности Ссри =118,90389 * Pii = 374,152704 мм.

Относительное изменение длины окружности Сотн = (Ссри–Ср) / Ср..

Сотн = (374,152704 –372,486703) / 372,486703.. Сотн = 1,666 / 372,486703..

Сотн = 0,00447265… Далее по закону Гука..

При таком относительном удлинении напряжение растяжения будет:

Врас = Е * Сотн… Врас = 2000000 * 0,00447265… Врас =8945,3 кгс/кв.см.

Для пружинной стали напряжение нормальное..

С учетом того, что коническая часть входящая в кольцо имеет равное кольцу

поперечное сечение т сожмется на ту же величину, то в целом осадка удвоится

и будет равной 1,457 мм.

# ,,,,,,

Тот же самый расчет по И.А. Биргеру. Но при коэф.трения = 0,01.. Gt = 0,57º…

Площадь поперечного сечения кольца пружины: S = 1,68794 кв.см.

Напряжение растяжения: Вр = Q / ( Pii*S*tan ( G + Gt ))…

Вр = 20000 / ( Pii*1,68794*tan ( 20 + 0,57 ))… Вр = 10048 кгс / кв.см.

Осадка конуса в кольцо пружины при приложении назрузки:

dH = Q*Фср / ( 2*Pii*E*tan ( G )*tan ( G + Gt )*S )…

dH = 20000*11,85662 / ( 2*Pii*E*tan ( 20 )*tan ( 20,57 )*1,68794 )…

dH = 0,08 см.. dH = 0,8 мм. С учетом того, что наружное кольцо и внутреннее

кольцо работают в паре и жесткость внутреннего примерно = наружного, то суммарная

осадка пары колец: dH = 1,6 мм..

Реальный результат будет между результатами этих двух расчетов..

# ,,,,,,,,,,,,

Расcчитаем кольцевую пружину по формулам книги Р. С. Курендаш стр 98…103..

По расчетам приведенным выше:

Расчетное усилие принимаем Q = 20000 кгс.

Угол: Образующая – Ось кольца: G = 20º.. Высота расточки Lк = 12 мм.

Предполагаемый коэф. трения на конусе: Ктр = 0,1.. ( вибрация )..

Угол трения: Gt = arctan ( 0,1 )… Gt = 5,6666666º…

Наибольший диаметр расточки: Фк = ( Lк × 2 × ( tan 20º )) + Фв.. Фк = 112,7353 мм.

Площадь поперечного сечения кольца пружины: S = 1,68794 кв.см.

Объем кольца пружины: V = 62,8739 куб.см.. Масса = 0,49356 кг…

Средний диаметр кольца пружины: Фср = V / ( S × Pii )…

Фср = 62,8736 / ( 1,68794 × 3,1415926 ) .. Фср = 11,85662 см… Фср = 118,5662 мм.

Напряжение растяжения в сечении кольца:

Врас = 7819,72 кгс/кв.см. Пружина вполне прочна..

Определим осадку жесткого конуса в упругое кольцо пружины:

.dH= 20000*( 11,85662/1,68794) / ( 3,1415926*2*tg(20+5,6666)*tg(20)*2000000 )…

.dH= 140486,27/ 2197937,7… .dH= 0,0639 см..

Поскольку на пружине внедряемый конус выполним с поперечным сечением равным поперечному сечению кольца, то конус сожмется на ту же величину на которую растягивается кольцо. Поэтому реальное смещение вдоль оси удвоится и будет равно

2*dH = 0,128 см. на комплект Кольцо-Конус.

Проверим расчет исходя из найденной осадки конуса dH = 0,639 мм..

( без учета сжатия конуса и без учета трения на конусе ).

Изменение радиуса при осадке dR = dH * tg 20.. dR = 0,639 * 0,36397..

dR = 0,2326 мм. Изменение диаметра dd= 0,4652 мм.

Изменившийся средний диаметр Фсри = 118,5662+0,4652 = 119,031354 мм.

Изменившаяся длина окружности Ссри =119,031354 * Pii = 373,94803 мм.

Относительное изменение длины окружности Сотн = (Ссри–Ср) / Ср..

Сотн = (373,94803 –372,486703) / 372,486703.. Сотн = 1,461324 / 372,486703..

Сотн = 0,0039232… Далее по закону Гука..

При таком относительном удлинении напряжение растяжения будет:

Врас = Е * Сотн… Врас = 2000000 * 0,0039232… Врас =7846,3 кгс/кв.см.

Для пружинной стали напряжение нормальное..

Расчет напряжения растяжения по глубине внедрения конуса наиболее достоверен.

# ,,,,,,,,,,,,

Проверим расчеты по формулам И.А. Биргера – ( по другой литературе ).

Определим давление на коническую поверхность кольца при внедрении в кольцо –

конуса с углом Ось – Образующая = 20º…

Усилие действующее к нормали конической поверхности: F…

Усилие загоняющее конус в коническую расточку: Q1…

Угол конической расточки: G… Угол трения: Gt ….

Осевое усилие: Q1 = F*2*( sin ( G )) …

Определяется усилие нормальное к конической поверхности:

F = 20000/(2*sin ( 20 )) … F = 29238 кгс… Трение не учитываем..

Так как в условиях вибрации, трение может значительно уменьшится.

Сила перпендикулярная оси кольца: FR = F*cos ( G )…

FR = 29238*0,9397 = 27475 кгс…

Fраз = FR = 27475 кгс… Это усилие приходится на два поперечных сечения кольца.

Напряжение разрыва кольца: Врк = Fраз /( 2*S )… Врк = 27475 /( 2*1,68794 )…

Врк = 8138,6 кгс / кв.см.…

Длина средней линии сечения: С = Фср*Pii… С = 11,857*Pii… С = 37,25 см…

По закону Гука длина средней линии увеличится при приложении силы ( напряжения ).

dL = Врк *C / E… dL = 8138,6*37,25 / 2000000… dL = 0,1516 см… dL = 1,516 мм…

Соответственно диаметр станет больше на: dD = dL / Pii… dD = 1,516 / Pii ..

dD = 0,4826 мм.. Радиус увеличится на: dR = 0,2413 мм.

Конус при этом зайдет глубже вдоль оси: Lос = dR / tan ( G ).. Lос = 0,2413 / 0,36397..

Lос = 0,663 мм… С учетом такой же деформации конуса – осадка = 1,326 мм

Площадь опорного торца пружины: Stp = Pii *(( Ф*Ф ) – (Фв*Фв )) / 4…

Stp = Pii × (( 13×13 ) – (10,4 × 10,4 )) / 4… Stp = 47,78 кв.см.

Удельное давление на опорный торец пружины: Fудт = Q / Stp…

Fудт = 20000 / 47,78… Fудт = 418,6 кгс / кв.см. Уд. давление небольшое.

Вывод: При некотором несовпадении – результаты показывают возможность

доверять расчету..

График прогибов, в виду сложной картины деформации, рассчитать нереально –

– готовую пружину надо испытать на испытательном прессе со снятием характеристики

Анкерные шпильки предохраняются от обрыва гашением ударных нагрузок кольцевыми пружинами, кроме того пружины равномерно распределяет нагрузку от станины между четырьмя шпильками.

Кольцевая пружина хороша тем, что за счет трения на конических поверхностях

гасит колебания при ударных нагрузках при быстром затухании вибраций.

Пружина состоит из отдельных элементов, поэтому ее можно ремонтировать

заменив сломанный элемент.

Пружина достаточно проста в изготовлении.

На каждую шпильку желательно поставить по пять пар кольцо-конус.

При нагрузке 20000 кгс – пять пар пружин дадут осадку dH = 8 мм.. По расчету приведенному выше ( без учета трения на конусе ). Для достижения нормальной нагрузки равной 11700 кгс. гайку шпильки надо затянуть на 4,8 мм ( доворот на 346 градусов ) после выборки зазоров, затем гайку законтрить по месту штифтом.

Анкерную шпильку обычно рвет в месте, где находится основание гайки.

Без применения пружин – обрыв расположен в верхней плоскости лапы стойки молота,

что осложняет или делает невозможным ремонт анкерной шпильки, методом приварки

нового резьбового наконечника шпильки взамен оторванного.

При применении кольцевых пружин – основание гайки будет поднято над верхней плоскостью лапы стойки- зона обрыва будет выше верхней плоскости лапы стойки.

Ремонт будет возможен.

Применение винтовых пружин не желательно по причине их малой жесткости и

малого затухания ударных нагрузок. Молот с винтовыми пружинами будет вибрировать при работе.

Применение резиновых и полиуретановых элементов не желательно из за нестабильных по времени, по новой партии и по температуре – механических характеристик материала.

Тарельчатые пружины по ГОСТ 3057-90 при необходимых силовых параметрах имеют большие габариты, не вписываются в крепление станины.

Не смотря на преимущества применения кольцевых пружин – руководство приняло простейший вариант – подняло гайки шпилек подставками. В результате немного уменьшилась жесткость шпильки за счет увеличения свободного от бетона длины шпильки. При обрыве шпильки – можно легко приварить новый резьбовый фрагмент шпильки ( шпильки чаще всего рвутся на первых с низу витках резьбы ).

Колодец шабота.

После заливки фундамента бетоном и набора бетоном достаточной прочности, в колодец шабота укладывают подушку из бруса древесины твердых пород ( дуб, бук, лиственница ).

Брус предварительно пропитать противогнилостным раствором в вакууме и просушить.

На подушку установить Шабот и выставить его по центру относительно фундаментных шпилек. После выверки – Шабот расклинить с боков деревянными вставками. В самом верху забить паклей и залить гудроном. Примечание: Для заполнения боковых зазоров между шаботом и стенкой колодца, нельзя применять сыпучие материалы вроде песка – При работе шабот слегка подпрыгивает – песок будет затекать под шабот и шабот поплывет, по высоте и в плане.