Entwerfen eines hydraulischen Biegemaschine

Um Schritt mit Kundenanforderungen zu halten, während alte und unbrauchbare Prüfgeräten Phasing-out, das Personal des Technischen Mechanik Laboratory (EML) im Forest Service, Forest Products Laboratory, konstruiert und montiert eine hydraulischeBiegeprüfmaschine. Die EML gebaut, diese Maschine zu Prüfmaß Holz, nominal 2 in. Dick und bis zu 12 in.deep, bei Spannweiten bis zu 20 ft und Lasten bis zu 20.000 lbf. Die hydraulische Biegeprüfmaschine wurde unter Verwendung von Teilen eines 100,000- gebautlbf Kompressionstestrahmen. Hinzugefügt Komponenten enthalten W12 von 65 Stahlträger; Stahlrohrabschnitte, Lsections,und Gewindestangen zur Strahl attachment; I-Träger-Abstandsplatten; Holzblockstrahl Endhalterungen; ein 4-in. Bohrung 10 in. Hub Hydraulikzylinder mit 38.000 lbf Kapazität; Stahlplatten für Zylinder Verstärkung; und zwei schwenkbare VierpunktlastKopfanordnungen. Exzentrische Lasten, die während eines Tests ergeben wird nicht von der Positionierungsschrauben auftreten könnender Maschinenkopf oder auf andere Weise beeinflussen Testergebnisse.

Einführung

Um Schritt mit Kundenanforderungen zu halten, während alte und unbrauchbare Prüfgeräten Phasing-out, das Personal des Technischen Mechanik Laboratory (EML) im Forest Service, Forest Products Laboratory, konstruiert und montiert eine hydraulischeBiegeprüfmaschine (Fig. 1). Die Maschine wird verwendet, Strahlen weitspannige zu unterstützen und eine hydraulisch angetriebene Biegekraft auf die Träger in Übereinstimmung mit Standardtestverfahren anzuwenden. Dieses Papier beschreibt die Parameter undÜberlegungen für diese Maschine die Gestaltung der EML Personal zu ermöglichen, benötigt Tests in einer Weise durchzuführen, die vom Benutzer istfreundlich und sicher. Die Mission des EML ist zu testen und bewerten Holz, HolzProdukte und Holzkomponentenproben ihre mechanischen und Materialeigenschaften zu bestimmen. Die Tests werden für Arbeitseinheiten innerhalb des Forest Products Laboratory und für Arbeitseinheiten in Off-Site-Forest Service Versuchsstationen durchgeführtauf besonderen Wunsch. Die EML führt einen wesentlichen Teil seiner Prüfung aufDimension Holz, einschließlich statische Biegeversuche, die dem ASTM D198-Standard (ASTM 1997) entsprechen.

Der primäre Zweck der Biegemaschine zu testen weitspannige Dimension Holz (nominal 2 durch 4-in. 2- durch 12-in., Bis zu 20 ft Länge) bei zu erwartenden Belastungen weniger als 10.000 lb und weniger Auslenkungen als 6 in. Zwei Maschinen, die habenbeendurch die EML verwendete Tests zum Biegen sind die 160.000-lbf Reihle Maschine (1969 erworben) und der 25.000-lbf schachtelTestMaschine (1937 gekauft). Diese Maschinen sind von fragwürdiger Zuverlässigkeit und Reparaturfähigkeit aufgrund ihres Alters. EINMaschine, die die Prüfung weitspannige Dimension Holz kann, ist derzeit nicht in der Produktion und würde nach Maße mit großem Aufwand sein. Daher haben wir uns für einen 100.000-lbf Kompression Testrahmen mit einem motorgetriebenen zu ändernbeweglicher Auflauf, die EML gespendet.

Viele Teile des Testrahmens wurden entfernt, so dass die Stahlfuß, Platte, Auflauf Positionierschrauben und Auflauf. Teile, die Biegeprüfmaschine enthalten zwei Breitflanschträger, beam Befestigungshardware, Strahl zu vervollständigen wurden hinzugefügtAbstandsplatten, Strahlendlager, ein Hydraulikzylinder, Zylinder Verstärkungs Hardware und zwei Vierpunktlast Kopfanordnungen. Design-Überlegungen für diese Komponenten sind in diesem Papier.

Obwohl die 100.000-lbf Druckkraft Kapazität der ursprünglichen Rahmenkonstruktion viel größer als die Lasten, die wir während des Biegeversuches begegnen, haben wir die Auswirkungen von exzentrischen Lasten diskutieren, die in Biegeversuche eher auftritt, sindals in den Kompressionstests, für die der Rahmen ausgebildet.

Auswahl

Die Kraft, die benötigt eine starke Südkiefer 16-ftlong2 von 12 Board mit einem Bruchmodul zu brechen of14,500 lbf / in2 (Forest Products Laboratory 1999) weniger als10.000 lbf. Für diese Berechnung gingen wir davon aus Gebrauchslast (maximal zu erwartenden) 20.000 lbf zu sein, oder 10.000 lbf pro Stahlträger. Bruchlast (basierend auf bekannte Kapazität des Testrahmen) beträgt 50.000 lbf pro Strahl.

Da die Strahlbahnen, die durch sechs Distanzplatten verbunden sind (später in diesem Dokument beschrieben), zugehörige Bewegung mit Biegedrillknicken verhindert. Jedoch ist der W12 von 65 Abschnitt eines der wenigen nicht kompakten Abschnitte, die sindanfällig für lokale Flansch- und Steg Knicke. Strahlstärke wurde unter Verwendung des Verfahrens berechnet, für die Berechnung der Kapazität eines nicht kompakten Abschnitt (AISC 1995).

Die tatsächliche Streckspannung des Strahlt Material war nicht specified.A höhergradigen aus Stahl (50.000 lbf / in 2) würde höhere Biegefestigkeit aufweisen, als dies eine niedrigere Grade(36.000 lbf / in 2), aber es würde zu lokaler anfällig buckling.For dieser Analyse, der plastische Moment von einem 36000 lbf / in2 W12 von 65 Strahl berechnet wurde und im Vergleich zu den lokalen Knicken Momente eines 50.000-lbf / in2 W12 von 65 Strahl. DasMinimum dieser Grenzzustände gilt als die Stärke des Strahls sein.

Das Design Kunststoff Biegemoment (ΦMp) des 36,000- lbf / in2 Strahl 261.000 in-lbf. Da die Form dieses Materials nicht anfällig für lokale Knicke ist, ist dies auch ΦMn‘, die Biegefestigkeit Design.

Attachment

Die Strahlen werden nicht direkt an dem Rahmen befestigt. Vielmehr ist sie mit sechs 08.05-in geschnallt. Gewindestangen, die auf drei Stahl 3- von 3- um 1/4-in verbunden sind. Rohrabschnitte, die unter der Rahmenplatte (Fig. 2) übergeben. Die Stäbe passierendurch zwei von 3- 2- von 3/8-in. Stahl-L-Abschnitte, die die Strahlen an einer Drehung gegenüber dem Rahmen Bramme halten.

Jede nach oben Belastung dieser Komponenten würde aus einer Freisetzung von Last von einem Probenbruch. Dann wird die Energie in den Stahlträgern gespeichert könnte die Strahlen zu Feder führt nach oben und von der Platte angehoben werden. Wir berechneten die Bedeutungdieser Effekt.

Unter der Annahme, dass eine Probe unter einer Auslegungslast von 20.000 lbf bricht, würden lenken die Balkenende etwa 0,19 in., Wie zuvor beschrieben. Gegebenen Material und statische Werte und unter der Annahme der Strahl verhält sich wie ein umgedrehtes einfachweitspannige Strahl unterstützt, wäre es eine potentielle Energie von 1.900 in-lbf besitzen. Unter der Annahme eines momentanen Probenausfall, diese innere Energie würde, um einige überführt werdenKombination aus kinetischer Energie des schwingenden Balkens, inneren Federenergie mit nach oben gerichteter Durchbiegung des Endes, inneren Reibungsverlust (Hysterese), die Schwerkraft potentieller Energie der angehobenen Balken und Federenergie der sechs gestrecktGewindestangen. Es ist konservativ anzunehmen, dass alle die Strahlenergie vorhanden vor der Pause wäre ganz auf die Schwerkraft potentiellen Energie des Strahls und die Federenergie umgewandelt wird vondie gestreckten Gewindestangen. Beiden Energien Bedingungen sind abhängig von der Höhe durch die Strahlen erreicht. Eine iterative Berechnung zeigt, dass die Strahlen von weniger als 3 / 1.000 in heben würden.

Distanzplatten

Sechs 2-in.-dicken Platten werden verwendet, um zu trennen und zu stabilisieren, die zwei W12 von 65 Stahlträger (Fig. 3). Die Platten werden 1 ft von jedem Ende angeordnet ist, an der Koordinate der Brammenkante des Rahmens, und auf halbem Weg zwischen diesen beiden, bei einer ungefährenAbstand von 4-1 / 2 ft. Jede Platte wird durch vier 3/4-in an den Trägersteg verschraubt. Grad 5 Schrauben. Die Platten sind breit genug, um einen 1-1 / 4-in aufrechtzuerhalten. Lücke zwischen den Strahlen, so dass Vorrichtungen und Reaktionsköpfe können mit T-Nut Hardware angebracht werden.

Jede Belastung der Abstandsplatten wäre durch leichte Exzentrizitäten im Test. Unter der Annahme einer 10 ° Lastexzentrizität auf einer 100.000-lbf vertikale Last, gäbe es 17.000 lbf Horizontalkraft. Es sei angenommen, dass diese Kraft ist auch eine vertikaleKraftdifferenzzwischen den Strahlen. Auch wenn diese ganze Kraft wird durch die vier 04.03-in unterstützt. Schrauben an der Platte am nächsten liegt, würde die Lagerbeanspruchung in dem Trägersteg als 40% weniger betragen die Streckspannung von 36000-lbf / in2 Flußstahl und die kombinierteLager und Zugspannung in den Bolzen würde weniger als 40% der Streckgrenze von Grad 5 Stahl.

Schraube Biegen Prüfung

Wenn die Last sollte eine Exzentrizität in der Ebene der Biegeprobe entwickeln, wäre es ein Biegemoment auf den 5-in statt. Schrauben des Maschinenrahmens. Wir untersuchten diese Situation zu sehen, ob es eine Gefahr der Beschädigung der Schrauben gestellt odersonst beeinflussen die Testergebnisse. Unter der Annahme einer Last von 100.000 lb und einer Exzentrizität von 10 ° Grad von der Vertikalen, wird es eine horizontale Kraft auf den Lastkopf von 8.700 lbf sein, oder etwa 4.350 lbf pro Schraube. Wenn der Lastkopf 30 in.

Von der Basis der Rahmenplatte (basierend auf einer Stahlträgerhöhe von 12 in., Reaktionsträgern Höhe von 6 in. Und Probentiefe von 12 in.), Würde es ein Moment von 260.000 in-lbf sein oder 130.000 in -lbf pro Schraube. Dies würde eine Belastungan der Basis der Schnecke von etwa 21 ksi und einer horizontalen Auslenkung von 0,09 in. Dies ist unwahrscheinlich, dass die Testergebnisse oder Beschädigung der Maschine beeinflussen.

Hydraulischer Zylinder

Wir haben uns für einen Hydraulikzylinder anstelle eines Schraubenantrieb Lademechanismus. Hydraulische Maschine ermöglicht eine konstante Laststeuerung und macht schnelle Korrekturen nach geringfügigen Fehlern und Umverteilungen Last während eines Tests im Vergleich zumReaktion eines Gewindetriebes. Eine hydraulische Prüfmaschine hat auch eine größere Flexibilität für die zyklische und Schwingungsprüfung, als dies eine Schraube angetriebene Maschine.

Der Zylinder wird mit einer bestehenden Modell MTS 510,10 hydraulischen Energieversorgung (MTS System Corporation, Eden Prairie, Minnesota) verwendet werden. Diese Stromversorgung verwendet eine Festvolumenpumpe einen Fluidstrom von 10 gal / min bei 3000 lbf / in 2 bereitzustellen. DasPumpenmotor erfordert eine dreiphasige 380-V, 50 Hz-Stromquelle bei 34 Ampere kontinuierlich. Flüssigkeit wird durch ein Modell A076 Moog Servoventil (Moog Inc., East Aurora, New York) geregelt werden. Dies ist ein zweistufiger Stromregelservoventilmit einer mechanischen Rückkopplungspilotstufe und einen Nenndurchfluss von 1 bis 17 gal / min (bei 1000-lbf / in2Druckverlust). Der Betriebsdruck beträgt 3.000 lbf / in 2, und die Sprungantwort bei diesem Druck beträgt 3 bis 16 ns für 100% Hub. Last wird von einem Sensotec Modell gemessen werdenUG / 4671-03 Wägezelle (Sensotec, Inc., Columbus, Ohio) mit einer Kapazität von 30.000 lbf.