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

может быть рассмотрен как единственный механизм, объясняющий нелинейный характер деформации резины. При больших дефор­ мациях преобладающими будут явления взаимодействия вулканизата с наполнителем и на его упругие характеристики будет оказывать действие тип каучука, концентрация наполнителя и его адгезия к исходному полимера и т. д.

На рис. 30 показаны амплитудные зависимости установив­ шегося модуля сдвига Gm от величины логарифма относительной деформации, выраженной в процентах, для двух марок резин на основе каучука СКН-40, наполненного сажей типа ТМ-15. Об­ разцы сдвига с привулканизованными металлическими пласти­ нами имели размер эластичного элемента 55 X 45 X 38 мм. Вы­ держка под нагрузкой была одинаковой для всех величин дефор­ маций и равнялась примерно 120 мин. Как видно, нелинейные свойства, характерные для малых деформаций, несколько умень­ шаются с увеличением относительной деформации сдвига. Причем, наклон зависимости G (lg у) существенно зависит от наполнения смеси сажей. С увеличением степени наполнения амплитудная зависимость проявляется более четко.

На рис. 31 показаны частотные и амплитудные зависимости вязкоупругих свойств динамического модуля и угла сдвига фаз для вулканизатов на основе СКНг40, наполненных 53,4 весо­ выми частями сажи ТМ-15. Как видно, частотная зависимость модуля сдвига проявляется довольно четко и напоминает анало­ гичную зависимость для ненаполненных резин. Угол сдвига фаз наполненных вулканизатов в отличие от ненаполненных с ростом частоты несколько возрастает. Что же касается амплитудных зависимостей, то они проявляются во всем диапазоне исследован­ ного режима нагружения.

3. УСТАЛОСТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ РЕЗИН

При длительном действии статических или динамических нагрузок в резине могут накапливаться необратимые механико­ химические изменения. Такое накопление называют усталостным процессом, или утомлением, а разрушение образца в результате его действия — усталостным разрушением. Время наработки детали от начала эксплуатации до выхода из строя называют долговечностью, выносливостью или сроком службы. При этом

большее напряжение, которое образец может выдержать при сколь угодно большом числе циклов нагружения.

В процессе утомления наряду с механическим нагружением неизбежно действуют такие факторы, как свет, тепло, химически активная среда и т. д. Эти факторы, отрицательно влияя на свой­ ства материала, не приводят, однако, к разрушению детали.

40

В связи с этим необходимо разделять понятия «утомление» и «старение», имея в виду, что в первом случае речь идет о таких изменениях свойств материала, которые обусловлены в большин­ стве случаев действием только механических факторов. Понятие же «старение» охватывает все механические, физические, химиче­ ские и электрические влияния и процессы, которые в своем кол­ лективно-функциональном взаимодействии приводят к необрати­

новившемуся в последнее время мнению усталость резины явля­ ется сложным механохимическим процессом, в котором прило­ женные напряжения инициируют, ускоряют и замедляют различ­ ные химические реакции, вызывающие необратимые изменения структуры и физико-механических свойств материала. Исследова­ ние процесса усталостного разрушения резины значительно ослож­ няется влиянием многочисленных факторов, например тип кау­ чука и состав исходной смеси, степень вулканизации, агрессив­ ность окружающей среды, действие света, солнечной радиации, радиоактивного облучения, режима деформации и т. д. Кратко остановимся на влиянии некоторых из них, обратив особое внима­ ние на факторы механического происхождения.

В л и я н и е р е ж и м а и с п ы т а н и й . Существующие теории временной прочности резин в большинстве случаев разви­ вались применительно к гармоническому режиму деформирова­ ния как к наиболее распространенному в практике. Попытки применить уже разработанный для этого режима математический аппарат на более сложные режимы испытания успеха не имели. Опытами установлена существенная зависимость долговечности материалов от режима нагружения и вида напряженного состоя­ ния.

При гармоническом нагружении обычно реализуют два режима: симметричный и асимметричный (при введении статической соста­ вляющей деформации). При асимметричном цикле нагружения долговечность резин уменьшается [34]. Для натурных РТИ, например резино-металлических шарниров [53], срок службы уменьшается при увеличении радиального усилия за счет статиче­

лостную прочность резины довольно часто сравнивают с проч­ ностью при одноактном разрушении. Подтверждением этому слу­ жит тот факт, что с увеличением амплитуды циклического нагру­ жения усталостное разрушение образца по своей природе прибли­ жается к обычному разрыву. Если выносливость уменьшается до одного цикла, усталостная прочность резины совпадает с сопро­ тивлением разрыву. В этом случае для числа циклов Лг до раз­ рушения образца справедливо соотношение

41

где aN — амплитудное значение напряжений; р — безразмерный коэффициент, характеризующий зависимость прочности от повтор­ ности нагружения.

С уменьшением приложенных напряжений время до момента разрушения растет. При этом выносливость резины будет опре­ деляться не только механическими воздействиями, но и воздей­ ствиями, связанными со старением под влиянием света, тепла, химически агрессивной среды и т. п. Таким образом, общее поло­ жение о том, что усталостная прочность материала тем выше, чем выше его сопротивление разрыву, и химическая стойкость, характеризуемая сопротивлением различным видам старения, очевидно и не нуждается в специальных доказательствах.

Рис. 32. Допускаемые напряжения для ре­ зины в зависимости от числа циклов (стрел­ ками показана область допускаемых напряже­

-------область допускаемых напряжений при сдвиге

В общем случае между числом циклов до разрушения резино­ вого образца и напряжением о (или деформацией е) при симметрич­ ных циклах нагружения справедливы соотношения

Noa = Са или ;Vea = С3,

где постоянные С2 и Ся не зависят от частоты, а а, кроме того, и от температуры и режима испытаний.

В логарифмических координатах зависимость динамической выносливости от амплитудного значения напряжения описывается степенным законом

где oN, и oNl — амплитудные значения напряжений, соответству­ ющие выносливости N , и N 2 циклов.

Весьма важным для резин является вопрос о допускаемых напряжениях. Учитывая сложность физико-механических превра­ щений, сопровождающих процесс деформирования резины, этот вопрос на сегодняшний день не может быть решен однозначно даже для материалов одного состава. Многие исследователи рас­

42

ГЛАВА 3 ОСНОВЫ КОНСТРУИРОВАНИЯ И ИНЖЕНЕРНЫЕ МЕТОДЫ РАСЧЕТА РЕЗИНОВЫХ ДЕТАЛЕЙ

1. ОСОБЕННОСТИ КОНСТРУИРОВАНИЯ РТИ

Проектирование резиновых деталей основано на целом ряде правил и рекомендаций, большинство из которых выработано дли­ тельной практикой создания и эксплуатации РТИ в различных условиях их применения [46, 85]. Ниже рассматриваются основ­ ные аспекты практического проектирования РТИ преимущест­ венно для деталей, используемых в горных и горно-обогатитель­ ных машинах.

Правильно сконструированная резиновая деталь должна по возможности исключать области избыточных напряжений, необра­ тимых деформаций и чрезмерного нагрева от действия цикличе­ ских нагрузок.

Учитывая несжимаемость резины, одним из основных требова­ ний, обеспечивающих нормальную деформацию детали под на­ грузкой, является возможность изменения формы элемента. Конструктивно это условие реализуется при расширении резины в одном или двух направлениях. Несоблюдение этого правила приводит к созданию практически неработоспособных конструк­ ций.

Одной из основных причин, приводящих к быстрому выходу из строя резиновых деталей, является их разрушение вследствие высокой концентрации напряжений, возникающих в отдельных местах. Причины появления таких концентраций различны. Условно их можно разделить на технологические и конструк­ тивные.

К технологическим относят такие концентраторы, как различ­ ные твердые включения в смеси, образовавшиеся при вулканиза­ ции изделия пустоты, трещины и т. д. Их можно устранить только улучшением технологии изготовления деталей.

Конструктивные концентраторы напряжений возникают вслед­ ствие неправильного проектирования детали и узла нагружения в целом. Правильно сконструированной считается деталь, у кото­ рой напряжения распределяются равномерно по всему объему.

Достигнуть такого напряженного состояния одними конструк­ тивными методами весьма трудно, однако представляется возмож­ ность исключить локальные напряжения, которые в большинстве

44

случаев и являются основной причиной разрушения детали. Так, например, концентрация напряжений в резиновых изделиях может быть вызвана неправильно выбранной формой свободной поверхности или неправильным сопряжением соединения резина—

практически равномерно. Необходимо также избегать острых углов металлических пластин, особенно в местах, где резина наиболее напряжена.

45

Если резиновое изделие подвергается абразивному износу, то геометрическая форма его рабочей поверхности в значительной мере определяет долговечность и прочность конструкции. Для футеровочных плит (см. рис. 16) непременным условием их долго­

Рис. 34. Проектирование резиновых катков

выступов и других мест с повышенной концентрацией напряжений, возникающей при движении по поверхности крупнокускового материала. С этой целью выступы на поверхности резины выпол­ няют с определенным закруглением, а футеровочные плиты к рабо­ чему органу машины крепят че­

рез металлическую арматуру.

В резиновых ситах отверстия прямоугольной формы также сле­ дует выполнять с закруглением, а натяжение сита осуществлять та­ ким образом, чтобы не вызывать перекоса рабочей поверхности.

Для обрезиненных катков и направляющих роликов большое , влияние на прочность соедине­ ния резина — металл оказывает форма металлической поверхно­ сти. Практически было доказано [85], что «ласточкины хвосты» и значительная шероховатость по­ верхности в виде зубцов (рис. 34, а, б) не способствовали увели­ чению прочности соединения. Бо­ лее того, являясь концентрато­ рами напряжения, они приводи­ ли к преждевременному разруше­

нию конструкции. Предпочтительной оказалась гладкая форма металлической поверхности (рис. 34, в) с креплением резины через латунированный слой. Однако и в этом случае при больших скоростях движения наблюдалось разрушение резинового эле­ мента на внешних сторонах стыка за счет «подрезки» и возникно­ вения значительных локальных напряжений. Выпуклый профиль металлической поверхности (рис. 34, г) несколько уменьшал эф­

46

фект «подрезки» и являлся наиболее приемлемым для данного случая.

Если резинометаллические детали ийеют болтовые вставки или специальные посадочные места под крепление, особое внима­ ние необходимо уделять достижению равномерного распределения напряжений. На рис. 35 слева показаны различные типы кон­ струкций РТИ, имеющих болтовые вставки (рис. 35, а, б) и поса­ дочные места (рис. 35, в), в которых при деформации возникают локальные перенапряжения за счет уменьшения толщины рези­ нового слоя. Справа на этом же рисунке показаны конструктив­ ные приемы, позволяющие в некоторой степени избежать этого недостатка.

Рис. 36. Резинометаллические втулки

Соединение крупногабаритных резиновых плит с металличе­ ской поверхностью может осуществляться либо непосредственно механическим способом через слой резины (см. рис. 16, б), либо через металлическую арматуру. В первом случае при затяжке болтового соединения деформированный слой резины релаксирует во времени, ослабляя тем самым узел крепления. Кроме того, под головкой болта возникают значительные локальные напряже­ ния. Конструкции, показанные на рис. 16, в, этих недостатков не имеют и узел крепления является более надежным.

Вследствие различных коэффициентов линейного расширения резины и армирующих металлов при усадке изделия после вулка­ низации в его объеме могут возникать термические напряжения, вызывающие коробление детали. Это явление особенно проявля­ ется в резинометаллических изделиях типа блок — шарнир (см. рис. 14, а), в которых резина размещается между двумя концентрично расположенными цилиндрами и присоединяется к ним в процессе вулканизации. Для снятия термических напряжений металлические обоймы обычно выполняют разрезными.

Прочность изделий втулочного типа, особенно при многократ­ ных циклических нагрузках, может быть значительно повышена, если свободной поверхности придать соответствующую форму. На рис. 36, а—в представлены различные типы свободной поверх­ ности шарниров, работающих на коаксиальный сдвиг. Стрел­ ками показаны места разрушения резинового элемента. Более

47

приемлемой в данном случае является конструкция, показанная на рис. 36, в.

На рис. 36, г, д показаны две конструкции втулочного типа, в которых внешняя обойма по условиям эксплуатации должна закручиваться на угол до 250°. В конструкции (см. рис. 36, г) резиновый элемент при больших смещениях коаксиального сдвига коробится и его разрушение начинается уже при углах около 180°. Изменяя форму свободной поверхности, как показано на рис. 36, д, можно достигнуть углового смещения до 250° при

вполне работоспособной и долго­ вечной детали.

Для уравновешивания напря­ жений на внешней и внутренней обоймах внешнюю втулку обычно выполняют более короткой, а свободную резиновую поверхность закругляют с большим радиусом (рис. 36, е). Конструкция втулки, показанная на рис. 36, ж, менее предпочтительна.

Жесткость конструкции в зна­ чительной степени определяется соотношением продольного и по­ перечного размеров эластичного элемента. Чем толще слой резины, тем он податливей. Если же его разделить металлическими пла­ стинами, то жесткость такой кон­ струкции резко возрастет при оди­ наковой суммарной толщине рези­ новых пластин. Это свойство по­ ложено в основу создания дета­ лей, обладающих значительной жесткостью в одном напра­

влении, например при сжатии, и податливостью в другом, напри­ мер при сдвиге или скручивании. На рис. 37 показаны различные конструкции, в которых металлические разделительные вставки придают изделиям новые деформационные свойства.

При проектировании РТИ с различным соотношением геомет­ рических размеров следует учитывать устойчивость конструкции под действием внешней нагрузки. Если амортизатор цилиндриче­ ской формы имеет высоту, превышающую его диаметр, то под дей­ ствием сжимающей силы он может потерять устойчивость. Обычно при этом боковая поверхность амортизатора выпучивается, при­

вости РТИ может быть вызвана различными причинами, в том числе внецентровой нагрузкой.

48

Расчету устойчивости РТИ до настоящего времени уделяли мало внимания, поэтому при создании резиновых деталей в боль­

ной с точки зрения устойчивости под нагрузкой, следует ввести промежуточные металлические пласти­