Conception d'une machine à cintrer hydraulique

Pour suivre le rythme des demandes des clients tout en éliminant progressivement ancien et de l'équipement de test hors service, le personnel du Laboratoire de Génie Mécanique (EML) au Service des forêts, laboratoire de produits forestiers, conçu et assemblé une hydrauliquepliage machine de test. Le EML construit cette machine à bois d'échantillon d'essai, nominal 2 po. D'épaisseur et jusqu'à 12 in.deep, à des portées jusqu'à 20 pieds et des charges allant jusqu'à 20 000 lbf. La machine d'essai de flexion hydraulique a été construit en utilisant des pièces d'un 100.000-cadre de test de compression lbf. composants supplémentaires inclus W12 de 65 poutres en acier; des sections de tube en acier, Lsections,et des tiges filetées pour la fixation de faisceau; plaques d'espacement I-faisceau; supports d'extrémité du faisceau de blocs de bois; un 4-in. alésage, 10-in. course vérin hydraulique avec 38 000 lbf capacité; plaques d'acier pour le renforcement de cylindre; et deux pivotement charge en quatre pointsensembles de tête. charges excentrées qui pourraient se produire lors d'un test ne donnera pas les vis de positionnementla tête de la machine ou affecter les résultats des tests.

introduction

Pour suivre le rythme des demandes des clients tout en éliminant progressivement ancien et de l'équipement de test hors service, le personnel du Laboratoire de Génie Mécanique (EML) au Service des forêts, laboratoire de produits forestiers, conçu et assemblé une hydrauliqueMachine d'essai de flexion (Fig. 1). La machine est utilisée pour supporter les poutres de longue portée et à appliquer une force de flexion à entraînement hydraulique pour les faisceaux, conformément aux procédures de test standard. Cet article décrit les paramètres etconsidérations pour la conception de cette machine pour permettre au personnel de EML pour compléter les tests nécessaires d'une manière qui est par l'utilisateurconvivial et sécuritaire. La mission de l'EML est de tester et d'évaluer le bois, le boisproduits et échantillons d'éléments en bois afin de déterminer leurs propriétés mécaniques et de matériaux. Les tests sont effectués pour les unités de travail au sein du laboratoire des produits forestiers et des unités de travail dans le Service des forêts hors site des stations expérimentalessur demande spéciale. Le EML réalise une partie importante de ses essais surbois de dimension, y compris des essais de flexion de statiques qui sont conformes à la norme ASTM D198 (ASTM 1997).

Le but principal de la machine de cintrage est de tester le bois de dimension longue durée (nominal 2- par 4-in. À 2 par 12 in., Jusqu'à 20 pieds de longueur) à des charges prévu inférieur à 10 000 lb et déflexions moins de 6 po. Deux machines qui ontbeenutilisé par l'EML pour des essais de flexion sont les 160 000-lbf la machine Reihle (achetée en 1969) et la machine boîte test 25.000 lbf (acheté en 1937). Ces machines sont d'une fiabilité douteuse et la capacité de réparation en raison de leur âge. UNEmachine qui est capable de tester le bois de dimension longue durée ne sont pas actuellement en production et devrait être fait sur mesure à grands frais. Par conséquent, nous avons choisi de modifier un cadre de test de compression 100.000 lbf avec un motorisécaisse de tête mobile, qui a été donné à EML.

De nombreuses parties de la trame d'essai ont été enlevées, en laissant les pieds en acier, dalle, des vis de positionnement de la boîte de tête et la caisse de tête. Les pièces qui ont été ajoutés pour compléter la machine d'essai de flexion inclus deux faisceaux larges ailes, matériel de fixation du faisceau, faisceauécartement des plaques, des supports d'extrémité de faisceau, d'un cylindre hydraulique, le matériel de renfort de cylindre, et deux ensembles de tête de charge à quatre points. Considérations de conception pour ces composants sont présentés dans le présent document.

Bien que la capacité de la force de compression 100.000 lbf de la conception du cadre d'origine est beaucoup plus grande que les charges que nous rencontrons lors des essais de flexion, nous discutons les effets des charges excentriques qui sont plus susceptibles de se produire dans des essais de flexionque dans les essais de compression dont le cadre a été conçu.

Sélection

La force nécessaire pour rompre une forte pin du Sud 16 ftlong2 de 12 bord avec un module de rupture of14,500 lbf / in2 (Forest Products Laboratory 1999) est inférieure à10 000 lbf. Pour ce calcul, nous avons pris la charge de service (maximum prévu) soit 20 000 lbf ou 10 000 lbf par poutre en acier. Charge ultime (sur la base de la capacité connue du cadre d'essai) est 50 000 lbf par faisceau.

Du fait que les nappes de faisceau sont reliés par six plaques d'écartement (décrites plus loin dans le présent document), le mouvement associé à déversement sera empêché. Cependant, le W12 de 65 section est l'un des rares sections non-compactes estsensibles à la bride locale et flambage web. force faisceau a été calculée en utilisant la procédure de calcul de la capacité d'une section non-compact (AISC 1995).

La limite d'élasticité effective du matériau de la poutre n'a pas été specified.A grade supérieur en acier (50 000 lbf / in2) aurait une plus grande résistance à la flexion que ne le fait une plus faible teneur(36000 lbf / in2), mais il serait sensible à la locale buckling.For cette analyse, le moment plastique de 36000-lbf / in2 W12 par 65 faisceau a été calculé et comparé aux moments de flambement locales d'un 50.000-lbf / in2 W12 par 65 faisceau. leminimum de ces états limites est considéré comme la force du faisceau.

Le moment de flexion plastique de calcul (ΦMp) de la 36,000- lbf / in2 faisceau est en 261000-lbf. Étant donné que la forme de ce matériau est non susceptible de voilement, c'est aussi ΦMn », la force de la conception à la flexion.

Attachment

Les faisceaux ne sont pas fixés directement sur le cadre. Ils sont plutôt sanglé avec six 5/8-in. des tiges filetées qui sont reliées à trois acier 3- 3- par de 1/4-in. des tronçons de tube qui passent sous la plaque de cadre (Fig. 2). Les tiges passentpar deux par 3- 2- par 3/8-in. acier L-sections qui maintiennent les faisceaux de tourner par rapport à la plaque de cadre.

Toute charge vers le haut sur ces composants proviendrait d'une libération de la charge d'une rupture échantillon. Ensuite, l'énergie stockée dans les poutres en acier peut provoquer des poutres à ressort vers le haut et être soulevé de la dalle. Nous avons calculé l'importancede cet effet.

En supposant qu'un spécimen rompu sous une charge nominale de 20 000 lbf, les extrémités de la poutre se dévier d'environ 0,19 in., Comme décrit précédemment. Étant donné les propriétés des matériaux et en coupe, et en supposant que le faisceau se comporte comme une de simplement renversésoutenu faisceau de longue portée, il possède une énergie potentielle de 1.900 à-lbf. En supposant une défaillance exemplaire instantanée, cette énergie serait convertie en unecombinaison de l'énergie cinétique de la poutre vibrante, l'énergie de ressort interne avec déflexion vers le haut des extrémités, la perte de friction interne (hystérésis), la gravité de l'énergie potentielle des faisceaux relevée, et l'énergie de ressort du six étirétiges filetées. Il est prudent de supposer que toute l'énergie du faisceau présente avant la pause serait entièrement convertie en énergie potentielle de gravité du faisceau et l'énergie de ressortles tiges filetées allongées. Ces deux termes d'énergie dépendent de la hauteur atteinte par les poutres. Un calcul montre que les faisceaux itératives lèverait inférieure à 3/1000 dans.

Plaques Spacer

Six plaques 2-po-épais sont utilisés pour séparer et stabiliser les deux W12 par 65 poutres en acier (Fig. 3). Les plaques sont placées 1 pi de chaque extrémité, à la coordonnée du bord de la dalle de la trame, et à mi-chemin entre les deux, à une approximativedistance de 4-1 / 2 pi. Chaque plaque est boulonnée sur l'âme de poutre par quatre 3/4-in. 5 boulons de qualité. Les plaques sont suffisamment larges pour maintenir un 1-1 / 4-in. écart entre les poutres, de sorte que les agencements et les têtes de réaction peuvent être fixés avec du matériel T-fente.

Toute charge sur les plaques d'espacement serait due à de légères excentricités du test. En supposant une excentricité de la charge à 10 ° sur une charge verticale 100000-lbf, il y aurait 17 000 lbf-force horizontale. On suppose que cette force est aussi verticaledifférence la forceentre les poutres. Même si cette force est entièrement pris en charge par les quatre 3/4-in. vis la plus proche de la dalle, la contrainte de palier dans l'âme de la poutre, il est inférieur à 40% de la limite d'élasticité de 36000-lbf / in2 acier doux, et la combinaisonpalier et une contrainte de traction dans les boulons, il est inférieur à 40% de la limite d'élasticité de l'acier de grade 5.

Vis Considération de flexion

Si la charge doit développer une excentricité dans le plan de l'échantillon de flexion, il placerait un moment de flexion sur le 5-in. vis du bâti de la machine. Nous avons examiné cette situation pour voir si elle pose un risque d'endommager les vis ouautrement affecter les résultats des tests. En supposant une charge de 100 000 lb et une excentricité de 10 ° degrés à la verticale, il y aura une force horizontale sur la tête de charge de 8700 lbf, soit environ 4350 lbf par vis. Si la tête de charge est 30.

De la base de la plaque de châssis (basé sur une hauteur de faisceau en acier de 12 à., La hauteur du support de réaction de 6 in., Et la profondeur de l'échantillon du 12 in.), Il y aurait un moment de 260000 en lbf ou 130 000 à -lbf par vis. Cela causerait une contrainteà la base de la vis d'environ 21 ksi et une déviation horizontale de 0,09. Ceci est peu susceptible d'affecter les résultats du test ou d'endommager la machine.

Cylindre hydraulique

Nous avons choisi un vérin hydraulique au lieu d'un mécanisme de chargement à vis d'entraînement. Une machine hydraulique permet un contrôle de charge constante et apporte des corrections rapides après les défaillances mineures et redistributions de charge lors d'un test, par rapport à laréponse d'un entraînement à vis. Une machine d'essai hydraulique a également une plus grande flexibilité pour les tests cycliques et des vibrations que fait un machine entraînée vis.

Le cylindre sera utilisé avec un modèle MTS existant 510,10 alimentation hydraulique (MTS Systems Corporation, Eden Prairie, Minnesota). Cette alimentation utilise une pompe à volume fixe pour fournir un écoulement de fluide de 10 gal / min à 3 000 lbf / in2. lemoteur de la pompe nécessite un 50 Hz 380 V triphasé, source d'énergie électrique à 34 ampères en continu. Le fluide sera régulée par un modèle A076 servovalve Moog (Moog Inc., East Aurora, New York). Ceci est une servo-valve de commande d'écoulement en deux étapesavec un étage pilote de rétroaction mécanique et d'un débit nominal de 1 à 17 gal / min (1000 à-lbf / in2la chute de pression). La pression de fonctionnement est de 3000 lbf / in2, et la réponse de l'étape à cette pression est de 3 à 16 ns pour la course de 100%. La charge sera mesurée par un modèle SensotecUG / 4671-03 cellule de charge (Sensotec, Inc., Columbus, Ohio) avec une capacité de 30 000 lbf.