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

ются с помощью кольца 3. При такой конструкции пластин резина практически не выпучивается под нагрузкой.

4. Если с помощью металлических разделительных пласти и изменением формы свободной поверхности детали (в предыдущей главе упоминалось, что резиновые изделия со сложной боковой

поверхностью могут об­ ладать повышенной ус­ тойчивостью) невозмож­ но добиться ее устойчи­ вости под нагрузкой, следует использовать другие конструктивные формы. Хорошие ре­ зультаты наблюдаются в конструкции, где ре­ зиновый элемент испы­ тывает сложные виды деформации, например деформации сжатия и

сдвига. Схема такого амортизатора и его силовые характеристики показаны на рис. 40.

Если резиновые изделия используются в качестве антивибра­ ционных устройств, то очень важно исключить прямой контакт между источником вибрации и предохраняемым объектом.

На рис. 41, а представлены конструкции такого типа: слева показана конструкция, в которой резиновый элемент сжат болтом и, следователь­ но, между изолируемым объ­ ектом и источником вибра­ ции устанавливается непо­ средственная связь; справа показана правильная кон­ струкция узла амортизатора.

При проектировании РТИ большое внимание следует уделять более эффективному и экономичному использова­ нию резины, технологичности

изготовления деталей и экономичности их производства. Например, в конструкции (рис. 41, б левый) объем резинового элемента используется неполностью. Более правильная анало­ гичная конструкция представлена на рис. 41, б справа.

Для уменьшения температурных напряжений в резиновом элементе целесообразно выполнять воздушные полости (рис. 41, в), или сквозные отверстия.

50

Технологичность исполнения РТИ зависит от правильно сконструированной пресс-формы и выбранного метода изготовле­ ния. При использовании крепящей арматуры вместо нескольких металлических вставок (рис. 42, а левый) более целесообразно применять одну (рис. 42, а правый).

Проектирование деталей, имеющих симметричную форму, целесообразно выполнять с центральным отверстием, так как это позволяет производить центровку металлических частей в форме без дополнительных приспособлений, а готовое изделие имеет большую площадь теплоотвода. На рис. 42, б показан более желательный вариант проектирования цилиндрической детали.

При изготовлении РТИ наблюдается неизбежное отклонение форм и расположения поверхностей от предусмотренных в проекте. В настоящее время по этому вопросу еще нет четких, узаконен­ ных стандартом рекомендаций. Ниже изложены некоторые дан­ ные, полученные в результате длительной практики проектиро-

6

Рис. 42. Примеры проектирования деталей с учетом техноло­ гичности их изготовления

таллической арматуре, отверстия доллшы быть расположены в со­ ответствии с прочностью и сопротивлением на отрыв резины от металла. Необходимо также помнить, что формовочные отверстия легче и дешевле изготовить в процессе вулканизации, чем выпол­ нить их в готовом резиновом изделии. Кроме этого, следует учи­ тывать, что сквозные отверстия более предпочтительны, чем глубокие слепые. В наиболее распространенных РТИ сквозные отверстия следует выполнять диаметром не менее 0,8 мм и глуби­ ной 16 мм. Слепые отверстия требуют более строгих ограничений, что вызвано значительными концентрациями напряжений на их конце. Обычно слепые отверстия диаметром свыше 3,5 мм и глу­ биной 30—40 мм могут выполняться при формовке.

Т о л щ и н а с т е но к . Для тонких изделий толщина стенок должна быть не менее 0,1 мм и 300—400 мм для крупногабарит­ ных деталей. Для РТИ, работающих в жестком циклическом режиме, толщина стенок должна выбираться с учетом диссипатив­ ного разогрева и условий охлаждения узла нагружения.

У с а д к а . В процессе вулканизации изделия и его последую­ щего охлаждения наблюдается сокращение объема на 5—6%. Это обстоятельство следует учитывать, особенно при проектиро­ вании крупногабаритных деталей. Следует также помнить, что в деталях, имеющих значительную площадь присоединения к ме­ таллической арматуре, при охлаждении от действия термических напряжений может наблюдаться значительное коробление изде­ лия, приводящее впоследствии к уменьшению долговечности

Во всех конструкциях диаметры металлических вставок должны быть соосны с соответствующими диаметрами резиновых изделий. Для металлических обрезиненных роликов и колес внешняя поверхность резины должна быть концентрична с валом в преде­ лах 0,7—0,8 мм.

В резинометаллических амортизаторах, работающих при дина­ мическом нагружении, концентричностьэластичного элемента и

металлических изделиях неперпендикулярность поверхности ре­

с металлической арматурой непараллельность поверхностей не более 0,7—0,8 мм на 200 мм длины.

Н е п л о с к о с т н о с т ь . При формировании РТИ поверх­ ность резины должна быть максимально плоской. Допустимая неплоскостность не должна превышать 0,25—0,3 мм на диаметре 50 мм. Это условие особенно важно выдерживать в изделиях, име­ ющих металлическую армировку.

Обобщая некоторые правила, выполнение которых обязательно при проектировании РТИ, особенно для работы в динамическом режиме, в первую очередь следует рекомендовать исключить:

острые углы на концах соединяемых поверхностей; острые кромки и углы на металлической арматуре, которые

впоследствии могут прорезать резиновый элемент или создать дополнительные очаги концентрации в виде трещин;

острые углы во внутренних полостях резинового массива; неоднородность состава смеси, приводящую в процессе вулка­ низации к неоднородности массива и, следовательно, созданию

разномодульного материала; составные формы и контуры, которые усложняют оборудо­

вание для формования; металлические части с зазорами, которые допускают вытека­

ние смеси при формировании.

В дальнейшем следует учитывать рекомендации как конструк­ торского, так и технологического характера.

При конструировании РТИ следует также назначать такой

52

режим работы, чтобы детали могли эксплуатироваться в течение заданного времени. При этом необходимо учитывать уровень и концентрацию механических напряжений в объеме образца, его диссипативный разогрев, влияние окружающей среды и т. д. При испытаниях готовых изделий можно, наблюдая картину их разрушения, выяснять причину и в последующие конструкции вносить соответствующие коррективы. Основные признаки раз­ рушения РТИ и причины, вызывающие это явление, приведены в табл. 3. Там же даны рекомендации по устранению основных причин. Универсальных рекомендаций, пригодных для существу­ ющего многообразия конструкции РТИ, в настоящее время еще нет. Практика длительной эксплуатации РТИ выработала некото­ рые рекомендации, которые могут быть приняты во внимание конструкторами и которые в основном сводятся к следующему.

Повышенные температуры вызывают деструкцию поверхност­ ного слоя резины, делают материал хрупким и способствуют раз­ растанию поверхностных трещин. Резины на основе НК следует эксплуатировать при температурах не свыше 70—120° С. Нижний предел относится к амортизаторам, работающим при многократ­ ных циклических нагрузках; верхний — при статическом нагру­ жении. В последнем случае поверхностные дефекты (размягчение, затвердение, мелкие трещины и т. д.) практически не влияют на срок службы массивных изделий. В тонкостенных конструкциях такие дефекты весьма опасны и при статическом способе нагруже­ ния могут привести к разрушению детали.

Создание резиновых изделий, работающих при высоких тем­ пературах, может осуществляться двумя путями. Первый путь состоит в улучшении конструкции узла нагружения, вынесении его из зоны действия теплового потока или предохранении от воз­ действия температуры специальными защитными средствами. Образец можно разделять металлическими пластинами, улучшая тем самым теплоотвод, охлаждать воздухом или жидкостью, соз­ давать теплоотражающие приспособления и т. д. Второй путь состоит в подборе теплостойкой исходной смеси. Хорошие резуль­ таты дают вулканизаты на основе фторкаучуков, силиконовых каучуков и т. д., изделия из которых длительное время могут эксплуатироваться при повышенных температурах порядка

200-300° С.

Воздействие повышенной температуры может сочетаться с дис­ сипативным разогревом образца. В этом случае, особенно при мас­ сивных изделиях, резина вследствие чрезмерного разогрева рас­ плавляется внутри образца и через образовавшиеся трещины вытекает наружу. Рекомендации по устранению этого недостатка сводятся к назначению оптимального режима нагружения; кон­ структивные и технологические рекомендации такие же, как и в случае воздействия температурного поля.

Агрессивная среда во многом способствует разрушению РТИ, вредно воздействуя на резиновый массив и металлическую

53

54

55

арматуру. Различные масла и топлива могут вызывать набухание резины, что в конечном итоге приводит к уменьшению ее прочност­ ных свойств. Воздействие повышенной температуры при этом увеличивает вспучивание РТИ. Если конструкцию нельзя защи­ тить от воздействия масла, следует использовать специальные маслостойкие резины. Озон, как уже указывалось выше, вызы­ вает трещины в поверхностном слое резины и коррозию метал­ лических частей. Для защиты от озона на резиновую поверхность можно наносить специальные лаки. Металлическую арматуру следует латунировать и затем покрывать озоностойкими лаками. Эти методы пригодны для предохранения от морской воды, агрес­ сивных шахтных вод, солевых растворов и других химически активных сред.

Вспучивание резиновой детали может произойти также от чрез­ мерных механических нагружений. Появляющиеся при этом усталостные трещины, особенно в динамическом режиме эксплуа­ тации, могут привести к быстрому разрушению изделия. Повы­ шенная температура и агрессивная среда обычно ускоряют про­ цесс разрушения. В подобных случаях деталь необходимо пере­ проектировать.

Появление на поверхности резинового массива усталостных трещин не всегда свидетельствует о скором разрушении изделия. Трещины могут появляться в самом начале эксплуатации в местах с повышенной концентрацией напряжений, увеличиваться до опре­ деленной длины и затем прекращать свой дальнейший рост. Окон­ чательное разрушение резины наступает через длительный про­ межуток времени, измеряемый иногда годами непрерывной экс­ плуатации. Так, в резинометаллических элементах сдвига (см. рис. 9, д), работающих при многократных циклических нагрузках, в местах стыка резина — металл уже через 500—600 ч наработки появляются трещины, растущие в диагональном направлении. Быстрый рост их вначале со временем замедляется. Детали с такими трещинами имеют ресурс 10 000—15 000 ч и выходят из строя от усталостного разрушения. Характерно, что усталостные трещины зарождаются в центре резиновой поверхности и распро­ страняются в массиве. Появившиеся в местах стыка трещины не служат очагами разрушения. Их появление связано с местным перенапряжением и может быть устранено при проектировании конструкции. Закругленная форма боковой поверхности практи­ чески исключает появление подобных трещин.

2. РАСЧЕТ РЕЗИНОВЫХ ДЕТАЛЕЙ

Ниже рассмотрен расчет резиновых изделий, получивших наибольшее распространение в горной промышленности. При изложении этого материала авторы ограничились приведением

56

лишь конечных выражении, позволяющих определять зависи­ мость сила — деформация при известных механических парамет­ рах материала.

Расчет деталей простой формы

Ктаким деталям обычно относят элементы с прямоугольным

ицилиндрическим сечением и геометрически простой формой свободной поверхности. Многочисленные экспериментальные ис­ следования показывают, что условия соединения торцовых поверх­

ностей РТИ с металлическими опорными плоскостями сущест­ венно влияют на характер их деформирования. Поэтому при рас­ чете зависимости сила — деформация для таких деталей следует

т и я . На первом этапе расчета таких деталей для учета эффекта торцов использовался метод введения некоторого условного модуля упругости Еу, присущего не материалу, а рассматривае­ мой конструкции в целом. Величина этого модуля зависит не только от модуля упругости резины Е и условий на торцах, но и от соотношения между размерами образца. Влияние последнего принято оценивать так называемым фактором формы Ф. Понятие о факторе формы было введено Е. Гебелем [85, 86] и в дальней­ шем развито в работе В. Н. Потураева [46], где для натурных РТИ приведен большой экспериментальный материал.

В качестве фактора формы в большинстве случаев принимают отношение площади основания детали, соприкасающейся со сжи­ мающими плоскостями, к площади ее боковой поверхности.

Величина условного модуля Еу может быть найдена из соот­

арматурой и скольжение между ними отсутствует; %^ 0 — если опорные поверхности резины и сжимающих плит гладки и хорошо

6 ^ 2 [46].

Формула (З.Г) удобна тем, что с ее помощью и при известном Еу можно сравнительно просто определять жесткость детали. Так, для изделий цилиндрической и прямоугольной формы выра­ жение для жесткости имеет вид

EyF

г -- ---£_•

5Т

д л я у се ч е н н о го к о н у с а с р а д и у с а м и о с н о в а н и й г г и г 2 н в ы с о т о й h

пЕуГ^я

пЕуГ^'ъ ’

для усеченной пирамиды со сторонами аи Ъг и а2, 2, высотой h при а

с— a^bi) Еу

где F — площадь поперечного сечения; P — деформирующая сила. Эффект торцов при деформировании РТИ может быть учтен также с помощью некоторого коэффициента, вводимого в формулу зависимости сила — осадка. В этом случае справедливо соотно­

шение [7]

где р — коэффициент, зависящий от условий на торцах и формы изделия (так называемый коэффициент ужесточения); А. = (h —

— A)/h — степень сжатия детали, Fa — начальная площадь осно­ вания детали; Е — модуль упругости резины.

Для резиновых изделий простой формы величина коэффици­ ента р может быть получена аналитическим путем. Так, если рези­ новый элемент с закрепленными торцами имеет цилиндрическую форму радиусом г и высотой h, то осадка элемента под действием силы Р составляет

где G — модуль сдвига, а коэффициент может быть определен как

кУТ

Г

h V 6

Гг

Если резиновый элемент имеет прямоугольную форму со сто­ ронами основания а и Ъ(а > Ъ) и высотой h, то его осадка может быть найдена из выражения

38

З д есь

1 48 (1+ т)2—т))

fc2

(т)' + (1-Г))2

коэффициент р при этом определится как

4 (1-1-112—п)

3 1- ah tg-ah

Величина ц представляет собой параметр, зависящий от соот­ ношения между величинами а, Ъи h резиновой детали. В случае, когда а = Ъ, д деформация в направле­ нии осей, перпендикулярных к действу­ ющей нагрузке, симметрична, коэффициент

ц= 0,5.

Впоследнее время для расчета РТИ получил распространение метод, разрабо­ танный Э. Э. Лавенделом и его учениками [16—19], [29—321. Этот метод основан на предположении линейной теории упругости и теории энергии формоизменения дета­ лей в процессе их деформирования. Так,

Жесткость полого амортизатора с внутренним радиусом г2, наружным гх и высотой h определяется из выражения

c = |- = 4)7 5 p »(l-a * )(l + a * + ^ = ^ ) C r 1;

h »

5&