книги из ГПНТБ / Потураев, В. Н. Резина в горном деле

динамичности скипа повышается до 4—5 [83]. Снижение напря­ женного состояния элементов скипа и повышение их долговеч­ ности осуществляют различными методами, в том числе и приме­ нением резинового покрытия.

(повернуто)

Рис. 18. Резиновая футеровка скипа

На рис. 18 показана схема скипа, днище и разгрузочный люк которого футерованы износостойкой резиной. Применение рези­ новой футеровки позволило значительно уменьшить ударные нагрузки при загрузке скипа и в 2—3 раза увеличить износо­ стойкость его днища.

5. РАЗЛИЧНЫЕ ВАРИАНТЫ ПРИМЕНЕНИЯ РЕЗИНЫ

Кроме приведенных выше примеров, резина получила распро­ странение и для изготовления других деталей горных машин. Остановимся на некоторых характерных случаях использования резины в качестве конструкционного материала.

Р е з и н о в ы е м у ф т ы . Резиновые детали используются для передачи энергии и движения, в частности в эластичных муф­

22

тах и демпферах колебаний. В практике машиностроения исполь­

Ведущий 1 и ведомый 2 валы соединяются резиновой или резинокордовой оболочкой 3

торообразного профиля, присоединяемой к фланцам 4 металличе­ скими кольцами 5. Оболочка может быть разрезной, состоящей из нескольких частей, или цельной. Разрезная оболочка приме­

рно. 20. Равночастотные виброизоляторы:

а — ОВ-33; б — ОВ-34

няется для передачи малых крутящих моментов и компенсации значительных перекосов. Для передачи больших моментов исполь-

тт т

ЛА

Рис. 21. Буровая штанга с резинометаллическим буртом

зуется цельная резинокордовая оболочка с металлическими борто­

выми кольцами.

Передавая энергию от привода к рабочему органу, такие муфты компенсируют также неточности изготовления и сборки в осевом

23'

Термин «резина» вначале применялся к вулканизованному натуральному каучуку, получаемому из сока тропического дерева гевеи. Впоследствии этот термин распространился и на различ­ ные искусственные материалы, обладающие высокой податли­ востью и способностью к большим обратимым деформациям. В основе эластичности таких материалов лежат особенности моле­ кулярной структуры, характерные для большинства полимеров.

Согласно современным взглядам на структуру синтетических материалов их молекулы представляют собой длинные гибкие нити, расположенные хаотически в виде запутанного клубка. Такая форма молекулы обусловливает гибкость молекулярных цепей и высокоэластичные свойства материала. Макромолекулы полимера складываются в виде отдельных пачек, расположенных хаотически при аморфной структуре и упорядоченно при кристал­ лической. Такое представление о «надмолекулярной структуре» резин хорошо согласуется с экспериментальными данными, полу­ ченными при изучении их вязкоупругих свойств.

Если к полимерной системе приложена определенная сила, то упругая деформация будет наблюдаться до тех пор, пока возник­ шие в материале напряжения не уравновесят действующих сил. Однако полное равновесие не устанавливается и с течением вре­ мени при фиксированной величине деформации напряжения сни­ жаются. Это явление самопроизвольного изменения напряжения при постоянной деформации называется релаксацией и лежит в основе таких явлений, как ползучесть, последействие и внутрен­ ние потери энергии в материале. Все эти явления объединяют под общим названием «упругих несовершенств» реального твер­ дого тела.

Если к вязкоупругому материалу приложить напряжение, то образующаяся соответственно ему деформация вследствие наличия релаксационных процессов будет отставать во времени на опре­ деленную величину, зависящую от скорости прилагаемой нагрузки, природы полимера и ее физико-механических свойств. Если напря­ жение изменяется по гармоническому закону, то его можно разло­ жить на две компоненты, одна из которых совпадает по фазе с пере­ мещением (фазовая компонента, обозначается через амплитуду А г

25-

и называется упругой составляющей), а другая отличается от нее по фазе на 90° (внефазовая компонента обозначается через амплитуду А 2) и называется вязкой составляющей напряжения.

Если напряжение и деформацию представить в координатах н — е, то вследствие наличия угла сдвига фаз между ними полу­ чим петлю гистерезиса (рис. 22). При деформировании резины в линейной области петля гистерезиса будет представлять собой эллипс, большая ось которого равна величине полного модуля

Рассмотрим основные физико-механические характеристики резины, используемые в дальнейшем при расчетах конкретных изделий. Более подробно методы определения таких характери­ стик описаны в монографии М. М. Резниковского [66] и в стан­ дартах на испытание резин.

З а в и с и м о с т ь н а п р я ж е н и е — д е ф о р м а ц и я . Для описания напряженного состояния изотропных материалов, к которым относится и резина, теория упругости предполагает существование двух независимых упругих констант: напряже­ ния а, выражаемого силой, приходящейся на единицу площади поперечного деформированного сечения (а = P/F), и упругой деформации е, определяемой увеличением длины образца АI к его первоначальной длине I (е = Д1/1).

С учетом высокоэластических свойств механические характе­ ристики резины могут быть классифицированы как равновесные, имеющие место при установившемся, стандартном состоянии, и кинетические, относящиеся непосредственно к действию релакса­

26

ционных процессов. Полагают, что при равновесных режимах деформации за время действия силы в резине успевают завер­ шиться основные релаксационные процессы. В этом случае равно­ весное напряжение выражается через равновесную деформацию сХоо = ^ообоо, где — равновесный модуль упругости, величина которого не зависит от вида деформации и имеет одно и то же значение при сжатии и растяжении образцов.

В практике равновесный (точнее условно равновесный) мо­ дуль определяют либо при малых скоростях нагружения (около 0,0002 м/с), либо при значительной (несколько часов) выдержке под нагрузкой, когда релаксационные процессы успевают завер­ шиться и не оказывают заметного влияния на его величину.

Помимо равновесных значений модулей Е^ и Gm используют также их мгновенные величины Е0 и G0:

соответствующие абсолютно упругому состоянию материала. Реальные величины Е0 и G0 для конкретных марок резин находят при достаточно высоких скоростях нагружения (ударная нагрузка, взрывная волна и т. д.) или при низких температурах, используя принцип температурно-временной суперпозиции.

При расчете резиновых систем вводят также понятие объем­ ного модуля

-Р / (AF/F),

где Р — давление; ДУ/F — объемная деформация резины в замк­ нутом объеме.

Между модулями Юнга, сдвига и объемным существует связь

где р — коэффициент Пуассона, определяемый отношением отно­ сительной поперечной деформации е к относительной продольной деформации е (р = s'/е). Вычисленный таким образом коэффи­ циент р для резины не остается постоянным, увеличиваясь при сжатии и уменьшаясь при растяжении. Поэтому используют дифференциальную форму записи с учетом изменения объема, применяя для этого известное уравнение Пуассона вида

При -^ -> -0 коэффициент р — 0,5 и из уравнений (2.3) и

(2.4) следует, что Е = 3G и К -> оо. Эти соотношения и принима­ ются в качестве основных при расчете резиновых изделий.

27

Для всех существующих материалов значение коэффициента Пуассона лежит в диапазоне 0—0,5. Для резин в условиях сжа­

щает расчеты и соответствует представлениям о резине как о мате­ риале с высокой объемной упругостью, вследствие чего она может

ность материала оказывать сопротивление механическому проник­ новению в него более твердого тела. Твердость выражается раз­ личными величинами, но во всех случаях измеряют глубину погру­ жения стального индентора с плоским или сферическим наконеч­ ником. В СССР наибольшее распространение получил метод измерения твердости по ГОСТ 263—53 с помощью твердомера ТМ-2. В этом приборе индентором служит стальная игла с пло­ ским наконечником, а шкала твердости охватывает диапазон от 0 до 100. В последнее время используются также методы между­ народного стандарта и твердомеры UCD, в которых глубина изме­ ряется погружением в резину стального шарика диаметром 2,5 мм.

Методы определения твердости, простые и доступные, полу­ чили широкое распространение в практике механических испы­ таний резин. Особенно часто ими пользуются технологи для срав­ нительной оценки механических свойств резин.

Имелись попытки [1] установить некоторую корреляционную связь между твердостью и другими характеристиками резины, например модулем Юнга, прочностью и т. д. Для ряда резин такая связь наблюдалась и были построены некоторые обобщен­ ные кривые [79]. Однако расширение ассортимента резин и более строгий подход к определению их механических свойств поста­ вили под сомнение корректность такой связи. Следует также отме­ тить, что твердость как механическая характеристика резины

ные резины, у которых при малых деформациях (е ^ 20%) суще­ ствует зона линейности между напряжением и деформацией.

Оператор Et отражает сущность вязкоупругого поведения системы. Для резины он сводится к интегральному виду типа Вольтерра с ядрами релаксации и последействия

Et = Е0(1 —К*),

t

где K*q>(t) = | K(t, т)ф (т)Л ;

- С О

28

К (t, т) — ядро релаксации.

В качестве ядра релаксации при решении линейных задач наследственной теории упругости целесообразно использовать функцию дробного порядка, предложенную Ю. Н. Работновым

= E0e0 [(1 — A) sin tot-j-B cos at],

где

A —COJ К (z) cos cozdz,

о

К (z) sin cozdz.

Здесь А и В — косинус и синус преобразования дробно-экспонен­ циальной функции (2.6) и имеют вид [28]:

В этом случае определение реологических параметров при наличии экспериментальной информации можно вести следую­ щим образом. Если в качестве ядра релаксации используется функция Ю. Н. Работнова и обобщенное время релаксации доста­ точно велико (примерно t0 — 104 -f- 10е с), то для определения

29