Ontwerp van een hydraulische Buigen Machine

Om gelijke tred met de eisen van de klant te houden tijdens het uitfaseren van oude en onbruikbare testapparatuur, het personeel van de Engineering Mechanics Laboratory (EML) aan de Forest Service, Forest Products Laboratory, ontworpen en samengesteld een hydraulischebending machine. De EML bouwde deze machine controlemaat timmerhout, nominaal 2 in. Dik en tot 12 In.Deep bij spanwijdtes tot 20 ft en lasten tot 20.000 lbf. De hydraulische bending machine is gebouwd met delen van een 100,000-lbf drukproef frame. Toegevoegde componenten opgenomen W12 met 65 stalen balken; stalen buisdelen Lsections,en draadstangen voor bevestiging bundel; I-beam afstandsplaten; houtblok balk eindsteunen; een 4-in. boring 10 in. takt hydraulische cilinder met 38.000 lbf capaciteit; staalplaten voor versterking cilinder; en twee scharnierende vier-puntbelastingkopsamenstellen. Excentrische belastingen die kunnen optreden tijdens een proef niet stelschroeven en leverdeMachinekop of anderszins aangetast testresultaten.

Invoering

Om gelijke tred met de eisen van de klant te houden tijdens het uitfaseren van oude en onbruikbare testapparatuur, het personeel van de Engineering Mechanics Laboratory (EML) aan de Forest Service, Forest Products Laboratory, ontworpen en samengesteld een hydraulischebending machine (fig. 1). De machine wordt gebruikt om grote overspanning balken ondersteunen en een hydraulisch aangedreven buigkracht gelden voor de lichtbundels volgens standaard testprocedures. Dit document beschrijft de parameters enoverwegingen voor het ontwerpen van deze machine naar de EML personeel in staat om de benodigde tests een wijze die gebruikersvriendelijk voltooienvriendelijk en veilig. De missie van de EML is om te testen en evalueren van hout,producten en houtcomponent specimens hun mechanische eigenschappen en materiaaleigenschappen bepalen. De tests worden uitgevoerd voor het werk eenheden binnen de Forest Products Laboratory en voor het werk eenheden in off-site Forest Service Experimentele Stationsop speciaal verzoek. De EML voert een aanzienlijk deel van zijn proeven opdimensie hout, inclusief statische buigproeven die voldoen aan de ASTM D198 standaard (ASTM 1997).

Het primaire doel van de buigmachine testmetingen grote overspanningen afmeting timmerhout (nominaal 2 van 4 in. Tot 2 van 12 in. Tot 20 voet lang) tegen verwachte belasting minder dan 10.000 lb en doorbuiging minder dan 6 in. Twee machines die hebbenbeendoor de EML van buigproeven de 160.000-lbf Reihle machine (gekocht in 1969) en 25.000 lbf box-testmachine (gekocht in 1937). Deze machines zijn van twijfelachtige betrouwbaarheid en reparatie vermogen vanwege hun leeftijd. EENmachine die in staat is het testen van lange overspanning dimensie hout is is momenteel niet in de productie en zou moeten worden op maat gemaakt tegen hoge kosten. Daarom hebben we ervoor gekozen om een ​​100.000-lbf compressie testframeopmaak te wijzigen met een motor aangedrevenbeweegbare kop doos, die werd geschonken aan EML.

Veel delen van het testframe werden verwijderd, waarbij de hoge opstaande, plak, kopkast stelschroeven en bovenbak. Onderdelen die zijn toegevoegd aan de bending machine voltooien omvatte twee brede flens balken, balk Bevestigingsmiddelen, beamvulplaten, balk eindondersteuningen, een hydraulische cilinder, cilinder wapening bevestigingsmiddelen en twee vierpunts load kopsamenstellen. Ontwerp overwegingen voor deze componenten worden in dit document.

Hoewel de 100.000 lbf compressiekracht capaciteit van het oorspronkelijke frame is veel groter dan de belastingen die we tegenkomen tijdens buigproeven bespreken we het effect van excentrische belastingen die vaker voorkomen bij buigproevendan in de drukproeven waarvoor het frame is gemaakt.

Selectie

De kracht die nodig is om een ​​sterke Southern Pine 16-ftlong2 doorbreken door 12 raad met een modulus van breuk of14,500 lbf / in2 (Forest Products Laboratory 1999) is minder dan10.000 lbf. Voor deze berekening is uitgegaan van de service belasting (maximaal te verwachten) tot 20.000 lbf, of 10.000 lbf per stalen balk zijn. Bezwijklast (op basis van bekende aantal testframe) 50.000 lbf per bundel.

Omdat de bundel vliezen zijn verbonden door zes afstandsplaten (verderop in dit document), beweging geassocieerd met kipstabiliteit wordt voorkomen. De W12 met 65 sectie is een van de weinige niet-compacte gedeelten diegevoelig voor lokale flens en web knikken. Buigsterkte werd bepaald met de procedure voor rekencapaciteit van een niet-compacte deel (AISC 1995).

De feitelijke vloeispanning van de Draagbalkmateriaal niet specified.A hogere staalkwaliteit (50.000 lbf / in2) zou een grotere buigstijfheid heeft dan een lagere rang hebben(36.000 lbf / in2), maar het zou gevoelig voor lokale buckling.For deze analyse, het plastische moment van 36.000 lbf / in2 W12 met 65 straal werd berekend en vergeleken met de lokaal plooien momenten van 50.000 lbf / in2 W12 met 65 bundel. Deminimum van deze limiet staten wordt beschouwd als de sterkte van de bundel zijn.

Het ontwerp kunststof buigmoment (ΦMp) van de 36,000- lbf / in2 bundel 261.000 in-lbf. Aangezien de vorm van dit materiaal is niet gevoelig voor lokaal plooien, is dit ook ΦMn’, de buigbare stevigheid.

Attachment

De balken zijn niet direct bevestigd aan het frame. In plaats daarvan worden ze vastgebonden met zes 5/8-in. draadstangen die zijn verbonden door drie stalen 3- 3- op 1/4 in. buisstukken dat rijdt onder de chassisplaat (fig. 2). De staven passerenvia twee 3 van 2- met 3/8 in. stalen L-profielen die de bundels houden roteert ten opzichte van het gestel plaat.

Elke opwaartse belasting van deze componenten zou afkomstig zijn van een vrijval van lading uit een monster break. Vervolgens zou de energie opgeslagen in de stalen balken ertoe leiden dat de balken om de lente te boven en uit de plaat worden opgeheven. We berekenden de betekenisvan dit effect.

Aannemende dat een specimen breekt onder een ontwerpbelasting van 20.000 lbf, zou balkuiteinden afbuigen ongeveer 0,19 in., Zoals hiervoor beschreven. Gegeven materiaal en sectionale eigenschappen, en uitgaande van de bundel gedraagt ​​als een omgekeerde gewoonondersteunde grote overspanningen beam, zou een potentiële energie van 1900 in-lbf bezitten. Uitgaande van een ogenblikkelijke specimen mislukking, zou dit de interne energie worden omgezet in een aantalcombinatie van de kinetische energie van de trilbalk, inwendige veer energie afbuiging omhoog van de einden, inwendige wrijvingsverliezen (hysteresis), ernst potentiële energie van de opgetilde bundels en veerenergie van de zes gestrektdraadstangen. Het conservatief te veronderstellen dat de onderhavige bundelenergie voor rust volledig worden omgezet in de ernst potentiële energie van de bundel en de veerenergie vande gestrekte draadeinden. Beide energietermen afhankelijk van de hoogte bereikt door de balken. Een iteratieve berekening laat zien dat de bundels kleiner is dan 3/1000 zou tillen.

spacer Plates

Zes 2-inch-dikke platen worden gebruikt voor het scheiden en stabiliseren de twee W12 met 65 stalen balken (fig. 3). De platen worden geplaatst ft 1 van beide uiteinden van het coördinaat van de plaat van het frame, en halverwege tussen deze beide, bij een benaderdeafstand van 4-1 / 2 ft. Elke plaat wordt vastgeschroefd aan het liggerlijf vier 3/4 in. graad 5 bouten. De platen zijn breed genoeg om een ​​1-1 / 4 in stand te houden. spleet tussen de balken zodat armaturen en omzetting koppen worden aangebracht met T-groef hardware.

Elke belasting op de afstandsplaten zou door lichte excentriciteiten in de test. Uitgaande van een 10 ° belasting excentriciteit op 100.000 lbf verticale belasting, zouden er 17.000 lbf horizontale kracht. Neem aan dat deze kracht ook een verticalekracht verschiltussen de balken. Zelfs indien deze volledige kracht wordt gedragen door de vier 3/4 in. bouten zich het dichtst bij de plaat, de draagspanning in liggerlijf zouden minder dan 40% van de vloeispanning van 36.000 lbf / in2 zacht staal, en de gecombineerdelager en trekspanning in de grendels zouden minder dan 40% van de vloeispanning van graad 5 staal.

Schroef Buigen Behandeling

Als de lading een excentriciteit in het vlak van de buiging monster moet ontwikkelen, zou een buigmoment op de 5-plaats. schroeven van het machineframe. We hebben gekeken naar deze situatie om te zien of het een gevaar van beschadiging van de schroeven gesteld ofenige andere aantasting van de testresultaten. Uitgaande van een van 100.000 lb en een excentriciteit van 10 ° graden van verticaal, zal er een horizontale kracht op de last hoofd 8700 lbf zijn, of ongeveer 4350 lbf per schroef. Als de belasting kop 30 in.

Vanaf de basis van de chassisplaat (gebaseerd op een stalen balk hoogte van 12 in., Reactiedrager hoogte van 6 in., En specimen diepte van 12 in.), Zou er een moment van 260.000 in-lbf of 130.000 te zijn -lbf per schroef. Dit zou een stress veroorzakenbij de basis van de schroef van ongeveer 21 ksi en een horizontale afbuiging van 0,09. Dit is waarschijnlijk niet de testresultaten beïnvloeden of schade aan de machine.

Hydraulische cylinder

We kozen voor een hydraulische cilinder in plaats van een schroef aangedreven laadmechanisme. Een hydraulische pers maakt een constante belasting controle en maakt snelle correcties na kleine storingen en load herverdeling tijdens een test, vergeleken met dereactie van een schroefaandrijving. Een hydraulische testmachine ook grotere flexibiliteit cyclische en vibratie testen dan door een schroef aangedreven machine.

De cilinder wordt gebruikt met een bestaande MTS model 510,10 hydraulische voedingseenheid (MTS Systems Corporation, Eden Prairie, Minnesota). Deze voeding wordt een vast volume pomp een vloeistofstroom van 10 gal / min verschaffen bij 3000 lbf / in2. Depompmotor vereist een driefasige 380 V, 50 Hz elektrische stroombron 34 continu ampère. Fluïdum wordt geregeld via een model A076 Moog servoklep (Moog Inc., East Aurora, New York). Twee fasen flow control servoklepmet een mechanische terugkoppeling proeffase en een debiet van 1 tot 17 gal / min (bij 1000 lbf / in2drukval). De werkdruk bedraagt ​​3000 lbf / in2, en de stapresponsie bij deze druk is 3-16 ns 100% beroerte. Belasting wordt gemeten door een model SensotecUG / 4671-03 belastingcel (Sensotec, Inc., Columbus, Ohio) met een capaciteit van 30.000 lbf.