Diseño de una dobladora hidráulica

Para mantener el ritmo con las demandas del cliente, mientras que la eliminación de equipos de prueba de edad y fuera de servicio, el personal del Laboratorio de Ingeniería Mecánica (EML) en el Servicio Forestal, Laboratorio de Productos Forestales, diseñado y montado un hidráulicaflexión máquina de prueba. El EML construido esta máquina a prueba de madera aserrada en tamaños, nominal 2 en. De espesor y hasta 12 in.deep, en tramos de hasta 20 pies y cargas de hasta 20.000 lbf. La máquina de ensayo de flexión hidráulico fue construido usando partes de un 100,000-marco de ensayo de compresión lbf. componentes añadidos incluyen W12 por 65 vigas de acero; secciones de tubo de acero, Lsections,y varillas roscadas para la fijación del haz; placas espaciadoras I-haz; madera soportes extremos haz de bloque; un 4-in. taladro, 10-in. carrera del cilindro hidráulico con capacidad de 38.000 lbf; placas de acero para refuerzo de cilindro; y dos de giro de carga de cuatro puntosconjuntos de cabeza. Las cargas excéntricas que pudieran ocurrir durante una prueba no se obtendrán los tornillos de posicionamiento dela cabeza de la máquina o de otro modo afectar los resultados.

Introducción

Para mantener el ritmo con las demandas del cliente, mientras que la eliminación de equipos de prueba de edad y fuera de servicio, el personal del Laboratorio de Ingeniería Mecánica (EML) en el Servicio Forestal, Laboratorio de Productos Forestales, diseñado y montado un hidráulicaflexión máquina de prueba (Fig. 1). La máquina se utiliza para apoyar vigas útil larga y para aplicar una fuerza de flexión accionado hidráulicamente a las vigas de acuerdo con los procedimientos de prueba estándar. Este documento describe los parámetros yConsideraciones para el diseño de esta máquina para que el personal de EML para completar las pruebas necesarias de una manera que es el usuarioamigable y seguro. La misión de la EML es para probar y evaluar la madera, maderaproductos, y las muestras de componentes de madera para determinar sus propiedades mecánicas y materiales. Las pruebas se realizan para las unidades de trabajo dentro del Laboratorio de Productos Forestales y de las unidades de trabajo en las estaciones experimentales del Servicio Forestal fuera del sitiopor pedido especial. El EML realiza una parte significativa de sus pruebas enmadera aserrada en tamaños, incluyendo pruebas estáticas de flexión que se ajustan a la norma ASTM D198 (ASTM 1997).

El propósito principal de la máquina de doblado es de madera aserrada en tamaños prueba de larga duración (nominal 2- por 4-in. A 2- por 12-in., De hasta 20 pies de longitud) en cargas esperadas menos de 10.000 lb y deflexiones menos de 6 de cada. Dos máquinas que tienenbeenutilizado por la EML para ensayos de flexión son el 160000-lbf máquina Reihle (adquirido en 1969) y la máquina de la caja de la prueba 25000-lbf (adquirido en 1937). Estas máquinas son de fiabilidad y reparación de dudosa capacidad debido a su edad. UNAmáquina que es capaz de probar útil larga dimensión madera no se encuentra actualmente en producción y tendría que ser por encargo a un gran costo. Por lo tanto, se optó por modificar un marco de ensayo de compresión de 100.000 lbf con un motor impulsadocaja de cabezal móvil, que fue donado a EML.

Muchas partes del marco de ensayo se retiraron, dejando a los pies de acero, losa, tornillos de posicionamiento cabeza de caja, y la caja de cabeza. Partes que se han añadido para completar la máquina de ensayo de flexión incluyen dos de patín ancho vigas, hardware de fijación del haz, hazplacas espaciadoras, soportes extremo de la viga, un cilindro hidráulico, hardware refuerzo cilindro, y dos conjuntos de cabezal de carga de cuatro puntos. Consideraciones de diseño para estos componentes se presentan en este documento.

Aunque la capacidad de fuerza de compresión de 100.000 lbf del diseño del marco original es mucho mayor que las cargas que nos encontramos durante las pruebas de flexión, se discuten los efectos de las cargas excéntricas que son más probable que ocurra en las pruebas de flexiónque en los ensayos de compresión para el que fue diseñado el marco.

Selección

La fuerza requerida para romper una fuerte pino del sur de 16 ftlong2 por 12 tablero con un módulo de ruptura of14,500 lbf / in2 (Laboratorio de Productos Forestales 1999) es inferior a10.000 lbf. Para este cálculo, se asumió carga de servicio (máximo esperado) a ser 20.000 lbf, o 10.000 lbf por viga de acero. La carga de ruptura (basado en la capacidad conocida de marco de ensayo) es 50.000 lbf por haz.

Debido a que las bandas de haz están conectadas por seis placas espaciadoras (descrito más adelante en este documento), el movimiento asociado con lateral torsional pandeo será impedido. Sin embargo, el W12 por 65 sección es una de las pocas secciones no compacto que essusceptibles a la brida de pandeo local y web. Beam fuerza se calculó usando el procedimiento para calcular la capacidad de una sección no compacto (AISC 1995).

La tensión de fluencia real del material de la viga no specified.A fue mayor grado de acero (50.000 lbf / in2) tendría una mayor resistencia a la flexión que hace un grado inferior(36.000 lbf / in2), pero sería susceptible a locales buckling.For este análisis, el momento plástico de un 36,000 lbf / in2 W12 por 65 de haz se calculó y se comparó con los momentos de pandeo locales de un 50000-lbf / in2 W12 por 65 de haz. losmínimo de estos estados límite se considera que es la fuerza de la viga.

El momento plástico de diseño de flexión (ΦMp) del haz de 36,000 lbf / in2 es 261.000 en-lbf. Puesto que la forma de este material no es susceptible a pandeo local, esto también es ΦMn’, la resistencia de diseño a la flexión.

Attachment

Las vigas no están unidos directamente al bastidor. Más bien, están atados hacia abajo con seis 5/8-in. varillas roscadas que están conectados a tres de acero 3- por 3- por cuarto-in. secciones de tubo que pasan debajo de la losa de marco (Fig. 2). Las varillas pasana través de dos 3- por 2- por 3/8-in. que mantienen las vigas gire con respecto a la losa de marco de acero secciones L-.

Cualquier carga hacia arriba sobre estos componentes vendría de una liberación de carga de una rotura de la probeta. Entonces, la energía almacenada en las vigas de acero podría causar que las vigas de resorte hacia arriba y ser levantado de la losa. Se calculó la significanciade este efecto.

Suponiendo que una muestra se rompió bajo una carga de diseño de 20.000 lbf, los extremos de la viga se desviar aproximadamente 0,19 in., Como se describe anteriormente. Teniendo en cuenta las propiedades del material y seccionales, y suponiendo que los comporta de haz como un revés simplementeapoyado útil larga viga, sería poseer una energía potencial de 1900 in-lbf. Suponiendo un fracaso espécimen instantánea, esta energía interna se convierte en algunoscombinación de la energía cinética del haz de vibración, la energía resorte interno con deflexión hacia arriba de los extremos, pérdida de la fricción interna (histéresis), la gravedad potencial de energía de los haces levantadas, y la energía de resorte de los seis estiravarillas roscadas. Es conservador suponer que toda la energía del haz presente antes de la pausa sería convertido completamente a la energía potencial de gravedad de la viga y la energía de resorte delas varillas roscadas estirada. Ambos términos de energía dependen de la altura alcanzada por los rayos. Un cálculo muestra iterativos que las vigas levantaría menos de 3 / 1.000 en.

Las placas separadoras

Seis placas de 2 pulgadas de espesor se utilizan para separar y estabilizar los dos W12 por 65 vigas de acero (Fig. 3). Las placas se colocan 1 pie de cada extremo, en la coordenada del borde de la losa de la estructura, y a medio camino entre estos dos, en un aproximadodistancia de 4-1 / 2 ft. Cada placa está atornillada al alma de la viga por cuatro 3/4-in. grado 5 pernos. Las placas son lo suficientemente amplia como para mantener un 1-1 / 4-in. brecha entre las vigas, de manera que los accesorios y cabezas de reacción se pueden fijar con hardware T-ranura.

Cualquier carga en las placas espaciadoras sería debido a ligeras excentricidades en la prueba. Suponiendo una excentricidad 10 ° carga en una carga vertical 100000-lbf, no habría 17.000 lbf-fuerza horizontal. Supongamos que esta fuerza es también una línea verticaldiferencia de fuerzaentre las vigas. Incluso si toda esta fuerza se apoya en los cuatro 3/4-in. pernos situado más cerca de la losa, la tensión de cojinete en el alma de la viga serían menos de 40% la tensión de fluencia de 36 000-lbf / in2 acero suave, y el combinadocojinete y tensión de tracción en los pernos serían menos de 40% la tensión de fluencia de grado 5 de acero.

Consideración tornillo de Doblado

Si la carga debe desarrollar una excentricidad en el plano de la probeta de flexión, sería colocar un momento de flexión del 5-en. tornillos del bastidor de la máquina. Examinamos esta situación para ver si se plantea un peligro de dañar los tornillos ode lo contrario afecta a los resultados de pruebas. Suponiendo una carga de 100.000 lb y una excentricidad de 10 ° grados de la vertical, no será una fuerza horizontal en la cabeza de carga de 8.700 lbf, o aproximadamente 4.350 lbf por tornillo. Si la cabeza de carga es de 30 pulg.

Desde la base de la losa marco (basado en una altura de la viga de acero de 12 in., Altura de apoyo de reacción de 6 in., Y la profundidad de 12 en la muestra.), No habría un momento de 260.000 en-lbf, o 130000 en -lbf por tornillo. Esto podría causar un estrésen la base del tornillo de aproximadamente 21 ksi y una desviación horizontal de 0,09. Esto es poco probable que afectan los resultados de las pruebas o dañar la máquina.

Cilindro hidráulico

Elegimos un cilindro hidráulico en lugar de un mecanismo de carga del tornillo de tracción. Una máquina hidráulica permite el control de carga constante y hace correcciones rápidas después de fallos menores y redistribuciones de carga durante una prueba, en comparación con elrespuesta de un accionamiento de tornillo. Una máquina de prueba hidráulico también tiene una mayor flexibilidad para la prueba cíclica y vibratoria que hace un máquina accionada rosca.

El cilindro se puede utilizar con un modelo 510.10 suministro de energía hidráulica existente MTS (MTS Systems Corporation, Eden Prairie, Minnesota). Esta fuente de alimentación utiliza una bomba de volumen fijo para proporcionar un flujo de fluido de 10 gal / min a 3.000 lbf / in2. losmotor de la bomba requiere un 380-V, 50-Hz fuente de energía eléctrica trifásica a 34 amperios continuos. El fluido se regulará a través de un modelo A076 servoválvula Moog (Moog Inc., East Aurora, Nueva York). Esta es una válvula servo de control de flujo de dos fasescon una etapa piloto realimentación mecánica y un flujo nominal de 1 a 17 gal / min (a 1000-lbf / in2caída de presión). La presión de trabajo es de 3.000 lbf / in2, y la respuesta al escalón a esta presión es de 3 a 16 ns para el accidente cerebrovascular 100%. Cargar será medido por un modelo SensotecUG / 4671-03 célula de carga (Sensotec, Inc., Columbus, Ohio) con una capacidad de 30.000 lbf.