Progettazione di un idraulico Bending Macchina

Per tenere il passo con le richieste dei clienti, mentre la graduale eliminazione apparecchiature di prova vecchio e inutilizzabile, il personale della Ingegneria Meccanica Laboratory (EML) presso il Forest Service, Forest Products Laboratory, progettato e assemblato un idraulicopiegatura macchina di prova. L'EML costruito questa macchina di prova dimensione legname, nominale 2. Spessore e fino a 12 in.deep, a campate fino a 20 me carichi fino a 20.000 lbf. La macchina di prova di flessione idraulico è stato costruito utilizzando parti di un 100,000-lbf telaio di prova di compressione. componenti supplementari inclusi W12 da travi in ​​acciaio 65; sezioni del tubo d'acciaio, Lsections,e barre filettate per il fissaggio del fascio; Piastre distanziatrici I-fascio; supporti di estremità fascio blocco di legno; un 4-in. foro, 10-in. corsa del cilindro idraulico con 38.000 lbf capacità; piastre di acciaio per il rinforzo cilindro; e due pivotante carico quattro puntigruppi testa. carichi eccentrici che potrebbero verificarsi durante una prova non produrrà le viti di posizionamentola testa della macchina o altrimenti influenzano i risultati del test.

introduzione

Per tenere il passo con le richieste dei clienti, mentre la graduale eliminazione apparecchiature di prova vecchio e inutilizzabile, il personale della Ingegneria Meccanica Laboratory (EML) presso il Forest Service, Forest Products Laboratory, progettato e assemblato un idraulicoflessione macchina di prova (Fig. 1). La macchina è utilizzata per supportare lunga durata travi e ad applicare una forza di flessione azionamento idraulico alle travi in ​​accordo con le procedure di prova standard. Questo documento descrive i parametri econsiderazioni per la progettazione di questa macchina per consentire al personale EML per completare prove necessarie in un modo che è dall'utenteamichevole e sicuro. La missione del EML è quello di testare e valutare legno, legnoprodotti, ei campioni di componenti in legno per determinare le proprietà meccaniche e materiali. I test vengono eseguiti per unità di lavoro all'interno del laboratorio Forest Products e per unità di lavoro in stazioni sperimentali Forest Service off-sitesu richiesta speciale. L'EML esegue una parte significativa della sua sperimentazione sudimensione legname, comprese le prove statiche piegatura conformi allo standard ASTM D198 (ASTM 1997).

Lo scopo primario della piegatrice è quello di prova lungo-portata dimensione legname (nominale 2- da 4-in. 2- da 12-a., Fino a 20 piedi di lunghezza) con carichi previsti inferiori a 10.000 lb e deviazioni meno di 6 in. Due macchine che hannobeenutilizzato dal EML per prove di flessione sono 160.000 lbf-macchina Reihle (acquistato nel 1969) e la macchina scatola-test 25.000 lbf (acquistato nel 1937). Queste macchine sono di dubbia affidabilità e riparazione capacità a causa della loro età. UNmacchina che è in grado di testare a lungo arco di dimensione legname non è attualmente in produzione e dovrebbe essere su misura a caro prezzo. Pertanto, abbiamo scelto modificare 100.000 lbf compressione stativo con un motorizzatoscatola testa mobile, donato a EML.

Molte parti del telaio di prova sono stati rimossi, lasciando i piedi d'acciaio, lastra, viti di posizionamento testa scatola, e la scatola testa. Parti che sono stati aggiunti per completare la macchina di prova di flessione inclusi due travi ad flangia fascio attaccamento hardware, fascioPiastre distanziatrici, supporti di estremità del fascio, un cilindro idraulico, hardware rinforzo cilindro, e due gruppi testa carico quattro punti. Considerazioni di progettazione per questi componenti sono presentati in questo documento.

Anche se il 100.000 lbf capacità di forza di compressione del design del telaio originale è molto maggiore di quanto i carichi che incontriamo durante le prove di flessione, discutiamo gli effetti di carichi eccentrici che sono più probabilità di verificarsi in flessione testche nelle prove di compressione per cui il telaio è stato progettato.

Selezione

La forza necessaria per rompere un forte Southern Pine 16-ftlong2 da 12 bordo con un modulo di rottura of14,500 lbf / in2 (Forest Products Laboratory 1999) è inferiore a10.000 lbf. Per questo calcolo, abbiamo ipotizzato carico di servizio (massimo expected) essere 20.000 lbf, o 10.000 lbf a trave in acciaio. Carico ultimo (per capacità noto di telaio di prova) è 50.000 lbf per fascio.

Poiché i nastri travi sono collegate da sei piastre distanziatrici (descritte più avanti in questo documento), movimento associato laterale torsionale sarà impedito. Tuttavia, il W12 da 65 sezione è uno dei pochi sezioni non compatti che èsuscettibile di flangia locale e web instabilità. forza fascio è stato calcolato utilizzando la procedura per la capacità di una sezione non compatta calcolare (AISC 1995).

La tensione di snervamento effettiva del materiale fascio non specified.A era superiore grado di acciaio (50.000 lbf / in2) avrebbe una maggiore resistenza alla flessione rispetto a una qualità inferiore(36.000 lbf / in2), ma sarebbe suscettibile a locale buckling.For questa analisi, il momento plastico di un 36.000 lbf / in2 W12 da 65 fascio calcolata e confrontata con i momenti instabilità locale di 50.000 lbf / in2 W12 da 65 fascio. Ilminimo di tali stati limite è considerata la forza del fascio.

Il momento flettente di progetto plastica (ΦMp) del fascio 36,000- lbf / in2 è 261.000 in-lbf. Poiché la forma di questo materiale non è suscettibile di deformazione locale, anche questo è ΦMn’, la resistenza di progetto a flessione.

Attachment

I raggi non sono direttamente attaccati al telaio. Piuttosto, essi sono legati giù con sei 5/8-in. aste filettate che sono collegati a tre acciaio 3- da 3- di 1/4-in. sezioni del tubo che passano sotto la lastra telaio (Fig. 2). Le aste passanoattraverso due 3- da 2- da 3/8-in. inossidabile L-sezioni che mantengono le travi di ruotare rispetto alla piastra telaio.

Qualsiasi carico verso l'alto su questi componenti verrebbe da un rilascio del carico da una rottura del campione. Poi, l'energia immagazzinata nelle travi di acciaio potrebbe causare le travi a molla verso l'alto e essere sollevato dalla lastra. Abbiamo calcolato il significatodi questo effetto.

Supponendo che un esemplare rotto sotto un carico teorico di 20.000 lbf, le estremità delle travi sarebbero deviare circa 0,19., Come descritto in precedenza. Dato proprietà del materiale e sezionali, e assumendo gli si comporta come fascio capovolto semplicementesupportato lungo campata, sarebbe possedere un potenziale energetico di 1.900 in-lbf. Ipotizzando una rottura del provino istantanea, questa energia interna verrebbe convertito in una certacombinazione di energia cinetica del fascio vibrante, energia molla interna con deflessione verso l'alto delle estremità, perdita attrito interno (isteresi), energia potenziale gravità dei fasci sollevati, e energia elastica dei sei allungatoaste filettate. È conservativo assumere che tutti i presenti energia del fascio prima della pausa sarebbe interamente convertito l'energia potenziale gravità della trave e l'energia della molla dile aste filettate allungato. Entrambi questi termini energetici dipendono l'altezza raggiunta dalle travi. Una mostra calcolo iterativo che i raggi alzerebbe meno di 3 / 1.000 in.

Piastre spacer

Sei piastre 2-pollici-spessore sono utilizzati per separare e stabilizzare i due W12 da travi in ​​acciaio 65 (Fig. 3). Le piastre sono posizionati 1 ft da ciascuna estremità, alla coordinata del bordo della soletta del telaio, a metà strada tra i due, in un approssimativodistanza di 4-1 / 2 ft. Ciascuna piastra fissata al nastro fascio da quattro 3/4-in. grado 5 bulloni. Le piastre sono sufficientemente ampi per mantenere un 1-1 / 4-in. divario tra le travi, cosicché infissi e teste di reazione possono essere fissati con hardware T-slot.

Qualsiasi carico sulle piastre distanziatrici sarebbe causa di lievi eccentricità nel test. Assumendo un'eccentricità 10 ° carico su un carico verticale 100.000 lbf, ci sarebbero 17.000 lbf forza orizzontale. Si supponga che questa forza è anche una verticaledifferenza forzatra le travi. Anche se questa intera forza è supportata dai quattro 3/4-in. bulloni situato più vicino alla lastra, la sollecitazione del cuscinetto nel nastro fascio sarebbe inferiore al 40% della tensione di snervamento di 36.000 lbf / in2 acciaio dolce, e combinatacuscinetto e trazione i tiranti sono inferiori a 40% della tensione di snervamento di grado 5 in acciaio.

Piegatura vite Considerazione

Se il carico dovrebbe sviluppare un'eccentricità nel piano del campione di flessione, si porrebbe un momento flettente sul 5-in. viti del telaio della macchina. Abbiamo esaminato la situazione per vedere se si poneva un pericolo di danneggiare le viti oaltrimenti influenzare i risultati dei test. Supponendo un carico di 100.000 lb e un'eccentricità di 10 ° gradi dalla verticale, ci sarà una forza orizzontale sulla testa carico di 8.700 lbf, o circa 4.350 lbf per vite. Se il carico è testa 30 in.

Dalla base della lastra telaio (basati su un altezza della trave in acciaio 12 a., Altezza supporto reazione 6 a., E profondità di 12 nel campione.), Vi sarebbe un momento di 260.000 in-lbf, o 130.000 in -lbf per vite. Ciò causerebbe uno stressalla base della vite di circa 21 ksi ed una deflessione orizzontale di 0,09. Questo è improbabile che influenzano i risultati del test o danneggiare la macchina.

Cilindro idraulico

Abbiamo scelto un cilindro idraulico invece di un meccanismo di caricamento a vite-drive. Una macchina idraulica consente il controllo carico costante e rende correzione veloce dopo guasti minori e ridistribuzione di carico durante una prova, rispetto alrisposta di un azionamento a vite. Una macchina di prova idraulica ha anche una maggiore flessibilità per il test ciclico e vibrazionale rispetto a una macchina a vite azionata.

Il cilindro viene utilizzato con un modello MTS 510,10 alimentazione idraulica esistente (MTS Systems Corporation, Eden Prairie, Minnesota). Questo alimentatore utilizza una pompa a cilindrata fissa per fornire un flusso di fluido di 10 gal / min a 3000 lbf / in2. Ilmotore della pompa richiede trifase 380 V, 50 Hz sorgente di energia elettrica a 34 ampere continuativi. Fluido sarà regolato attraverso un modello A076 Moog servovalvola (Moog Inc., East Aurora, New York). Questa è una servovalvola di controllo di flusso a due stadicon uno stadio di retroazione pilota meccanica e una portata nominale di 1 a 17 gal / min (a 1.000 lbf / in2calo di pressione). La pressione di esercizio è di 3.000 lbf / in2, e la risposta al gradino a questa pressione è da 3 a 16 ns per 100% ictus. Carico viene misurato con un modello SensotecUG / 4671-03 cella di carico (Sensotec, Inc., Columbus, Ohio) con una capacità di 30.000 lbf.