Projeto de uma máquina de dobra hidráulica

Para manter o ritmo com as demandas dos clientes enquanto phasing out equipamento de teste de idade e inservíveis, o pessoal da Engenharia Mecânica Laboratório (EML) no Serviço Florestal, Forest Products Laboratory, projetado e montado um hidráulicaflexão máquina de teste. A EML construído esta máquina de teste dimensão madeira serrada, nominal 2 pol. De espessura e até 12 in.deep, a intervalos de até 20 pés e cargas de até 20000 lbf. A flexão máquina de teste hidráulica foi construído utilizando peças de um 100,000-lbf suporte de ensaio de compressão. componentes adicionados incluído W12 por 65 vigas de aço; secções de tubo de aço, Lsections,e hastes roscadas para a fixação do feixe; placas espaçadoras de viga em I; madeira suportes extremos feixe de bloco; um 4-in. furo, 10-in. curso do cilindro hidráulico com 38000 lbf capacidade; chapas de aço para reforço de cilindro; e dois de rotação de carga em quatro pontosconjuntos de cabeça. cargas excêntricas que podem ocorrer durante um teste não irá produzir os parafusos de posicionamento dea cabeça da máquina ou de outro modo afectar os resultados do teste.

Introdução

Para manter o ritmo com as demandas dos clientes enquanto phasing out equipamento de teste de idade e inservíveis, o pessoal da Engenharia Mecânica Laboratório (EML) no Serviço Florestal, Forest Products Laboratory, projetado e montado um hidráulicaflexão máquina de teste (Fig. 1). A máquina é utilizada para suportar a longo período de vigas e para aplicar uma força de dobragem accionado hidraulicamente para as vigas de acordo com procedimentos de teste padrão. Este artigo descreve os parâmetros econsiderações para projetar essa máquina para permitir que o pessoal EML para completar os testes necessários de uma maneira que é user-amigável e seguro. A missão do EML é para testar e avaliar madeira, madeiraprodutos, e amostras de componentes de madeira para determinar as suas propriedades mecânicas e materiais. Os testes são realizados em unidades de trabalho dentro do Laboratório de Produtos Florestais e para unidades de trabalho em fora do local Floresta Estações Experimentais de Serviçospor pedido especial. A EML executa uma porção significativa do seu teste emdimensão madeira, incluindo testes estáticos de flexão que estejam em conformidade com a norma ASTM D198 (ASTM 1997).

O objectivo principal da máquina de flexão é a dimensão teste de longa extensão madeira (2- nominal por 4-in. De 2- por 12-in., Até 20 pés de comprimento) em cargas esperadas menos do que 10.000 lb e deflexões menos de 6 in. Duas máquinas que têmbeenutilizado pelo EML para ensaios de flexão são a 160000-lbf máquina REIHLE (adquirido em 1969) e a máquina de caixa de teste-25000-lbf (adquirido em 1937). Estas máquinas são de questionável confiabilidade e reparação capacidade por causa de sua idade. UMAmáquina que é capaz de testar longa-span dimensão madeira não está atualmente em produção e teria que ser feito por encomenda em grande despesa. Portanto, optou-se por modificar um suporte de ensaio de compressão 100000-lbf com um motor accionado-caixa de cabeça móvel, que foi doado para EML.

Muitas partes do quadro de ensaio foram removidas, deixando os pés de aço, placas, parafusos de posicionamento da caixa de cabeça, e a caixa de cabeça. Peças que foram adicionadas para completar a máquina de ensaio de flexão inclui dois toda a flange de feixes, ferragens de feixe, feixeplacas espaçadoras, suportes de extremidade do feixe, um cilindro hidráulico, de hardware reforço cilindro, e dois conjuntos de cabeça carga de quatro pontos. Considerações de design para esses componentes são apresentados neste trabalho.

Embora a capacidade de força de compressão de 100.000 lbf do design do quadro original é muito maior do que as cargas que encontramos durante os testes de flexão, discutimos os efeitos de cargas excêntricas que são mais prováveis ​​de ocorrer em testes de flexãodo que nos ensaios de compressão para o qual a estrutura foi concebida.

Seleção

A força necessária para quebrar uma forte Pinheiro do Sul 16-ftlong2 por 12 placa com um módulo de ruptura of14,500 lbf / in2 (Forest Products Laboratory, 1999) é inferior a10000 lbf. Para este cálculo, assumiu-se carga de serviço (máximo esperado) para ser 20000 lbf, ou 10000 lbf por viga de aço. carga final (com base na capacidade conhecida de suporte de ensaio) é 50000 lbf por feixe.

Uma vez que as teias de viga são ligados por seis placas espaçadoras (descritos mais adiante neste documento), o movimento de torção associada com laterais encurvadura irá ser impedido. No entanto, a W12 65 por secção é um dos poucos secções não-compacto que resultasusceptível a flange de local e de encurvadura teia. Feixe força foi calculada usando o procedimento de cálculo da capacidade de uma secção de não-compacto (AISC 1995).

O grau de tensão real do material feixe não specified.A foi maior grau de aço (50000 lbf / in2) teriam uma maior resistência à flexão que faz um grau inferior(36000 lbf / in2), mas seria susceptível a locais buckling.For esta análise, o momento plástico de um 36000-lbf / in2 W12 por feixe 65 foi calculado e comparado com os momentos de encurvadura locais de um 50000-lbf / in2 W12 65 por feixe. omínimo destes estados limite é considerada como sendo a intensidade do feixe.

O momento de criação de plástico dobra (ΦMp) do feixe 36,000- lbf / in2 é 261000 em-lbf. Desde a forma de este material não é suscetível à instabilidade local, este é também ΦMn’, a resistência de projeto de flexão.

Attachment

As vigas não estão directamente ligados à armação. Em vez disso, eles são amarrado com seis 8/5 pol. hastes roscadas que são ligados a três aço 3- por 3- até 1/4-in. secções de tubos que passam sob a laje de armação (Fig. 2). As hastes passarpor meio de duas 3- por 2- por 8/3 pol. aço G-secções que mantêm as vigas a partir de rotação com respeito à laje de quadro.

Qualquer carga ascendente sobre esses componentes viria de uma liberação de carga de uma pausa espécime. Em seguida, a energia armazenada nas vigas de aço pode fazer com que os feixes de mola para cima e para ser levantada a partir da laje. Calculamos o significadodeste efeito.

Assumindo que um espécime quebrou sob uma carga de projecto de 20000 lbf, as extremidades do feixe se desviar cerca de 0,19 in., Como descrito anteriormente. Dadas as propriedades dos materiais e em corte, e assumindo que se comporta como um feixe de cabeça para baixo simplesmentesuportado longa-span feixe, o mesmo teria uma energia potencial de 1.900 in-lbf. Assumindo que uma falha espécime instantânea, esta energia interna seria convertido para algumcombinação da energia cinética do feixe de vibração, a energia da mola interna com a deflexão para cima das extremidades, as perdas por atrito interno (histerese), a gravidade da energia potencial das vigas levantado, e a energia da mola esticada seishastes roscadas. É conservador supor que toda a energia do feixe presente antes do intervalo seria inteiramente convertido para a energia potencial gravidade da viga e a energia primavera deas hastes roscadas esticado. Ambos os termos energéticos são dependentes da altura atingida pelas vigas. Uma mostra cálculo iterativo que as vigas iria levantar menos de 3 / 1.000 em.

placas de espaçador

Seis placas de 2-in.-espessura são utilizados para separar e estabilizar os dois W12 65 por vigas de aço (Fig. 3). As placas são colocadas 1 pé a partir de cada extremidade, na coordenada de bordo da laje da armação, e a meio caminho entre estas duas, num aproximadodistância de 4-1 / 2 pés Cada placa é aparafusada à alma da viga por quatro 3/4-in. grau 5 parafusos. As placas são de largura suficiente para manter uma 1-1 / 4 pol. lacuna entre as vigas, para que acessórios e cabeças de reacção pode ser afixada com hardware da ranhura em T.

Qualquer carga sobre as placas espaçadoras seria devido a ligeiras excentricidades no teste. Assumindo uma excentricidade 10 ° carga sobre uma carga vertical 100000-lbf, haveria 17000-lbf força horizontal. Assume-se que esta força é também um verticaisforça diferençaentre as vigas. Mesmo se toda essa força é suportada por quatro a 3/4-in. parafusos localizado mais próximo da placa, a tensão de rolamento na alma da viga seria menos do que 40% da tensão de cedência de cerca de 36000 lbf / in2 de aço macio, e o combinadorolamento e tensão de tracção nos parafusos seria menos do que 40% da tensão de cedência de grau 5 aço.

Screw Bending Consideração

Se a carga deve desenvolver uma excentricidade no plano da amostra de flexão, seria colocar um momento de flexão no 5-in. parafusos da estrutura da máquina. Examinamos essa situação para ver se ele representava um perigo de danificar os parafusos oude outra forma afectar os resultados do teste. Assumindo que uma carga de 100,000 lb e uma excentricidade de 10 ° graus da vertical, haverá uma força horizontal à cabeça de carga de 8700 lbf, ou cerca de 4350 lbf por parafuso. Se a cabeça de carga é 30 em.

A partir da base da laje de estrutura (com base numa altura viga de aço de 12 in., Reacção apoio altura de 6 em., E espécime profundidade de 12 pol.), Haveria um momento de 260.000 em-lbf, ou 130.000 em -lbf por parafuso. Isto causaria um estressena base do parafuso de cerca de 21 Ksi e um desvio horizontal de 0,09. Esta é pouco provável que afecte os resultados do teste ou danificar a máquina.

Cilindro hidráulico

Nós escolhemos um cilindro hidráulico, em vez de um mecanismo de carregamento de parafuso-unidade. Uma máquina hidráulica permite um controlo de carga constante e faz com que as correcções rápidas após falhas menores e redistribuição de carga durante um teste, em comparação com oa resposta de uma unidade de parafuso. Uma máquina de teste hidráulica também tem uma maior flexibilidade para o teste cíclico e vibracional do que uma máquina accionada-parafuso.

O cilindro será usado com um modelo 510,10 fornecimento de energia hidráulica MTS existente (MTS Systems Corporation, Eden Prairie, Minnesota). Esta fonte de alimentação usa uma bomba de volume fixo para proporcionar um fluxo de fluido de 10 gal / min a 3000 lbf / in2. omotor da bomba requer um 380-V, 50 Hz fonte de energia eléctrica trifásica em 34 amperes contínuos. Fluido irá ser regulado através de um modelo A076 Moog servo-válvula (Moog Inc., East Aurora, Nova Iorque). Esta é uma servo-válvula de controlo de fluxo de duas fasescom uma fase piloto retorno mecânico e um fluxo nominal de 1 a 17 gal / min (a 1000-lbf / in2queda de pressão). A pressão operacional é de 3000 lbf / in2, e a resposta de passo a esta pressão é de 3 a 16 ns para 100% de acidente vascular cerebral. Carga será medido por um modelo Sensotec/ 4671-03 célula de carga UG (Sensotec, Inc., Columbus, Ohio) com uma capacidade de 30.000 lbf.