Файл: Потураев, В. Н. Резина в горном деле.pdf

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