NO127421B - - Google Patents

Description

Fremgangsmåte til fremstilling av en rotor,, såsom trommel eller ■ aksel. ■

Denne oppfinnelse vedrører en fremgangsmåte til fremstilling av en rotor,, såsom trommel eller aksel med liten deformeringsevne og som egner seg for.store omkretshastigheter og består av en hul, fiberarmert sylindrisk kunststoffmantel, med liten spesifikk elastisitetsmodul (stivhet) og av en konsentrisk i kunststoffmantelen beliggende metallsylinder med stor spesifikk elastisitetsmodul.

Slike sylindriske rotorer.finner en utbredt anvendelse i hele teknikken. For økning av slitefastheten og korrosjonsbestan-digheten av en. trykkevalse . er det f.eks. kjent å omgi valsens indre itiétallsylinder med en eventuelt fiberarmertviklet eller sen-trifugestøpt plastmantel.. Selv om forholdet mellom elastisitetsmodulen og tettheten er mindre på yttersiden enn på innersiden av en Kfr. kl. 49 1-11/00 slik rotor, er den ikke egnet til bruk som f.eks. hurtigroterende sentrifugetrommel, fordi den store radiale deformasjon i enkeltsjik-tene bevirker at disse løsner fra hverandre og rotoren ødelegges.

Laminerte rotorer for store hastigheter er også tidligere kjent bestående av flere konsentriske ringer, f.eks. av metall, som er anbragt koaksialt i hverandre og fast forbundet med hverandre og hvor elastisitetsmodulen for de enkelte ringer øker innenfra utover. Lignende rotorer er også foreslått fremstilt av ringer av plast som er armert med metalltråder. Ved belastning av en slik rotor, dvs. når den roterer, presser rotorens indre ringer mot de ytre ringer. Da de ytterste ringer har størst elastisitetsmodul og de innerste minst, kan de sistnevnte følge med de førstnevnte når disse utvides under rotasjonen. Den sistnevnte rotor er bygget opp på basis av et prinsipp som er motsatt prinsippet for oppbygning av den innledningsvis nevnte rotor, hvor den ytterste ring hhv. mantel har minste elastisttetsmodul.

Også tidligere kjent er en fremgangsmåte til fremstilling av en rotor hvor mantelen er bygget opp av kunststoffmateriale med innleirede armeringsfibre og hvor oppbygningen er foretatt slik. at mantelmaterialet,som består av homogent termoplastmateriale, på grunn av tilsetningene har radialt utover økende tetthet. Turtallet for en slik rotor er imidlertid begrenset oppover fordi materialet deformeres på grunn av sentrifugalkreftene under rotasjonen.

Den tillatelige omkretshastighet for en rotor er bestemt ved rotorens byggemåte og det benyttede materiale. En trommelrotor som stort sett består av en tynnvegget sylinder, opptar alle sentrifugalkrefter under rotasjon ved et system av tangensialspenninger. Når disse tangensialspenninger overskrider de tillatelige material-spenninger, deformeres rotoren som derved blir ubalansert, hvilket igjen bevirker ytterligere spenninger som kan nå opp til bruddgren-sen og dermed bevirke ødeleggelse av rotoren.

Tettheten av materialet som anvendes i rotoren, spiller en stor rolle. Materialer med stor strekkstyrke (flytegrense) men liten tetthet tillater større omkretshastigheter enn materialer med større tetthet. Det er kjent at fiberarmerte plastmaterialer kan tåle påkjenninger som er sammenlignbare med påkjenningene som er tillatt for stål eller titan. Da deres tetthet, er omtrent fire gan-ger mindre, kan dog slike materialer bringes opp i større omkretshastigheter. Ulempen'med rotorer med fiberforsterkede plastmantler er at de på grunn av plastenes lille elastisitetsmodul er meget bøyeelastiske og ut<y>ides utillatelig sterkt under rotasjonen. Denne ulempe er av.noe mindre betydning ved en aV.de ovenfor nevnte'Utfø-relser, hvor rotoren er.bygget opp av flere tynne, konsentriske sjikt eller ringer med forskjellig armerte materialer med utad økende .elastisitetsmodul og hvor rotoren er. utført som en skive. Her er nemlig bøyefastheten av mindre betydning. Som allerede nevnt bevirker hastighetsøkningen ved en slik rotor at de innerste sjikt følger med de ytre.sjikt så sant forbindelsen mellom sjiktene er feilfri og kan tåle driftspåkjenningene. De innerste sjikt vil da følge med de ytre, fordi de ytre sjikt har mindre elastisitetsmodul. Når en slik rotor skal bringes til å stanse, vil imidlertid de innerste sjikt søke å skille seg fra de ytterste sjikt, hvilket lett kan føre til ødeleggelse av forbindelsessjiktet eller grensesjiktet. Slike rotorer som benyttes som svinghjul, dvs. energiakkumulatorer, egner seg ikke til ytterst høye omkretshastigheter, fordi de ytre sjikt har større spesifikk vekt enn de innerste og fordi de innerste sjikt med minste elastisitet ikke må belastes over flytegrensen. Avvekslende akselerasjon og retardasjon av slike rotorer kan bevirke ødeleggelse av kontaktsjiktene.

Hensikten med oppfinnelsen er derfor å tilveiebringe en fremgangsmåte til fremstilling av en rotor, såsom trommel eller aksel av den innledningsvis nevnte art, hvor omkretshastigheten kan være stor ved liten tillatelig deformasjon. Denne oppgave har man ifølge oppfinnelsen løst ved at det i sylinderen og mantelen som danner rotoren, ved forspenning bygges opp en slik spenningstilstand at det i hviletilstand i kunststoffsylinderen opptrer tångensiale trykkspenninger som ikke er større enn at strekkspenninger opptrer i mantelen og sylinderen når rotoren roterer med driftsturtall. Et trekk ved fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen går ut på at forspenningene oppnås ved hjelp av en første rotasjon av rotoren under ut-nyttelse av den ved metallene opptredende Bauschinger-éffekt, idet metallsylinderen belaster over strekkgrensen. Ifølge et annet trekk ved fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen kan forspenningen oppnås ved hjelp av et indre trykk som metallsylinderen utsettes for, ved hjelp av hvilket trykk metallsylinderen belastes over sin strekkgrense.

På denne måte fremstilles en rotor hvis vegg i radialrét- : ningen tildels er bygget opp av metall, f.eks. stål, aluminium-, titan, og tildels av fiberarmert kunststoff. Når denne trommelrotor bringes opp i passende turtall, oppstår spenninger og deformasjoner i metallet og i kunststoffet som er i lineært forhold til hverandre. I samsvar med metallets større elastisitetsmodul vil spenningene stige raskere i metallsylinderen enn i den fiberarmerte kunstoffmantel når turtallet økes. Ved et bestemt turtall vil spenningene i den metalliske del nå flytegrensen. Ved ytterligere turtallsøkning vil den indre metallsylinder deformeres plastisk, mens en økning av elastiske spenninger vil opptre i den ytre fiberarmerte kunststoff-sylindér. Derav fremgår at man har tilveiebragt en trommel eller aksel med liten deformasjon selv ved store omkretshastigheter. Som følge av spenningstilstanden mellom de enkelte komponenter er et særlig koblingssjikt mellom sylinderen og mantelen unødvendig..

Oppfinnelsen skal forklares nærmere ved hjelp av et eksem-pel under henvisning til tegningen, hvor:

Fig. 1 viser et aksialsnitt gjennom et rotasjonslegeme,

og fig. 2 illustrerer- de nettopp omtalte forhold for rotasjonslegemet ifølge fig. 1.

Rotasjonslegemet har en sylindervegg 1 av metall og en sylindervegg 2 av glassfiberarmert kunststoff. På fig. 2 er vist endimensjonale spenninger og utvidelser for et typisk metallisk ar-beidsmateriale (kurve M) og for et typisk glassfiberforsterket plastmateriale (kurve F). Det metalliske materiale, f.eks. bløtt stål, skal vise ideell oppførsel i plastisk henseende. Kurven o =a (e) knekker etter at den har nådd flytegrensen oF M og går over i en horisontal. I samsvar med den lille elastisitetsmodul forløper kurven F vesentlig flatere enn kurvestrekningen 0 - Op M-

Når en sylindrisk rotor bringes opp i et turtall n, får den en vinkelhastighet co = ^y. De derved frembragte tangensialspen-2 2

ninger a utgjør a = P.r .co .

Ekspansjonen i omkretsretninaen blir da

N^r man ved hjelp av disse enkle ligninger enda en gang gjennomgår den ovenfor forklarte prosess under turtallstigning, vil man se at avhengig av forholdet ^ vil det opptre forskjellige tangensiale utvidelser og dermed radiale utvidelser.' Disse sammenheng har sin gyldighet inntil flytegrensen i den indre metalliske sylinder ér nådd. Det kan da også hende at den metalliske sylinder i et slikt tilfelle utvides mindre sterkt radialt enn den glassfiberar-merte sylinder slik at det forbigående finner sted en løsning av de to sylindre. Ved et bestemt turtall overskrides flytegrensen i den indre metalliske sylinder. De ved økning av turtallet frembragte høyere sentrifugalkrefter må opptas av den fiberarmerte kunststoffsylinder. Metallsylinderen ligger selvfølgelig an mot kunststoffsylinderen og den radiale deformasjon og omkretsutvidelse av de to sy-lindere er like. Det antas at der for et bestemt turtall n1 fåes en tilsvarende felles omkretsutvidelse e^. Antas så at fellessylinderen avlastes ut fra dette turtall, så vil spenningsutvidelsessammen-hengen i metallsylinderen beskrives av kurven M' (Bauschinger-effekt).

Da kunststoffsylinderen var belastet mens den befant seg i det lineært elastiske område, gjengis sammenhengen mellom utvidelsen av spenningene under senkning av turtallet av kurven F. Ved turtall 0 inntrer en spenningstilstand hvor det opptrer tangensiale trykkspenninger i metallsylinderen og tangensiale strekkspenninger i den fiberarmerte kunststoffsylinder. Avhengig av tykkelsen av de to sylindre og deres materialparametere forblir det en utvidelse i fellessylinderen. Strekkspenningene i kunststoffsylinderen kan ut-gjøre aK2 og de tilsvarende trykkspenninger i metallsylinderen

Ved en fornyet belastning av fellessylinderen ved rotasjon vil strekkspenningene i kunststoffsylinderen stige fra punkt II

langs kurven F. De tilsvarende spenninger i metallsylinderen begyn-ner ved punkt III og stiger langs kurven M<1>. Da vil trykkspenninge-ne i metallsylinderen først nedsettes og siden vil der bygges opp strekkspenninger.

Som følge av forspenningen oppfører fellesrotoren seg prinsipielt anderledes enn ved den første turtallsøkning. Den totale radiale utvidelse i det elastiske og i det plastiske tilfelle er proporsjonal med sylinderens tangensialutvidelse, dvs. at ved den første rotasjon er den totale utvidelse av fellessylinderen proporsjonal med strekningen 0 - e^. Ved den andre belastning med samme turtall er den opptredende radiale utvidelse proporsjonal med strekningen e 2 ~ ei' Den plastik deformerte fellesrotor oppfører seg altså nøyaktig som en metallrotor med høyere strekkgrense.

Da rotorens tetthet totalt sett er mindre enn for en metallrotor kan dog vesentlig større omkretshastigheter oppnås enn tilfelle er ved rotorer av bare metall.

Tilveiebringelsen av den spesielle spenningstilstand kan ikke bare oppnås ved rotasjon. Det er mulig å fremkalle den samme særlige spenningstilstand ved at metallsylinderen utsettes for et indre trykk som overstiger dennes strekkgrense. Etter at denne spenningstilstand er opprettet, er den således fremstilte .rotor identisk med den som er beskrevet ovenfor.

Claims (3)

1. Fremgangsmåte til fremstilling av en rotor, såsom, trommel eller aksel med liten deformeringsevne og som egner seg for store omkretshastigheter og består av en hul, fiberarmert sylindrisk kunststoffmantel med liten spesifikk elastisitetsmodul (stivhet) og av en konsentrisk i kunststoffmantelen beliggende metallsylinder med stor spesifikk elastisitetsmodul, karakterisert ved at det i sylinderen og mantelen som danner rotoren, ved forspenning bygges opp en slik spenningstilstand at det i hviletilstand i kunst-stof f sylinderen opptrer tangensiale trykkspenninger som ikke er større enn at strekkspenningen opptrer i mantelen og sylinderen når rotoren roterer med driftsturtall.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at forspenningene oppnås ved hjelp av en første rotasjon av rotoren under utnyttelsé av den ved metallene opptredende Bauschinger-effekt, idet metallsylinderen belastes over strekkgrensen.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at forspenningen oppnås ved hjelp av et indre trykk som metallsylinderen utsettes for, ved hjelp av hvilket trykk metallsylinderen belastes over sin strekkgrense.