PL248562B1 - Pręt ściskany - Google Patents

Description

Przedmiotem wynalazku jest pręt ściskany mający zastosowanie m.in. w konstrukcjach prętowych, wszędzie tam, gdzie występują elementy ściskane.

Wszędzie tam, gdzie występują pręty ściskane ważnym zjawiskiem często decydującym o nośności i bezpieczeństwie jest wyboczenie. Wyboczenie ma charakter gwałtowny i charakteryzuje się dużym spadkiem nośności elementu ściskanego.

Jest wiele propozycji i badań związanych z kontrolowaniem siły w prętach ściskanych lub kontrolą zjawiska wyboczenia np.: Ting-UeiLee; Elastic buckling shape control of thin-walled cylinder using preembedded curved-crease origami patterns; International Journal of Mechanical SciencesVolume 151, February 2019, Pages 322-330.

Znane publikacje dotyczą kontroli zjawiska wyboczenia lub kontroli wielkości siły w elemencie ściskanym.

Niedogodnością znanych rozwiązań w przedmiocie wynalazku jest jednakże fakt wystąpienia ograniczonej o zjawisko wyboczenia nośności lub potrzeba konstruowania dodatkowych elementów zapobiegających lub ograniczających zjawisko wyboczenia. Znane rozwiązania nie zwiększają wprost nośności elementu ściskanego.

Istnieje zatem potrzeba uzyskania takiego pręta, który uzyskuje większą nośność przy ściskaniu, odporność na wyboczenie, jednocześnie stosując typowe przekroje zamknięte.

Istotą wynalazku jest element konstrukcyjny - pręt ściskany, który jest odporny na wyboczenie, czyli utratę prostej postaci pod obciążeniem osiowym, który uzyskuje znaczące zwiększenie nośności przy ściskaniu. Wynalazkiem jest pręt hybrydowy o zwiększonej odporności na wyboczenie dzięki konstrukcji stanowiącej profil o przekroju zamkniętym, czyli korpus, który wypełniony jest materiałem wypełniającym - cieczą lub żelem o współczynniku Poissona około 0,5 lub mniejszym, korzystnie od 0,5, lub materiałem sypkim nieściśliwym lub mało ściśliwym o współczynniku Poissona mniejszym od 0,5 lub kombinacją materiału sypkiego z innymi ww. - cieczą i/lub żelem, lub kombinacją cieczy i żelu o podanych parametrach: ciecz lub żel o współczynniku Poissona około 0,5 lub mniejszym lub materiałem sypkim nieściśliwym lub mało ściśliwym o współczynniku Poissona mniejszym od 0,5. Korzystnie jest to ciecz lub kombinacja materiału sypkiego z podanymi wyżej - cieczą i/lub żelem o podanych wartościach każdego z osobna.

Pręt korzystnie jest w formie cylindra hydraulicznego - w przypadku kształtu walca lub innej bryły geometrycznej przestrzennej, np. w przekroju poprzecznym o kształcie dowolnego wielokąta np. sześciokąta. Korpus stanowi płaszcz urządzenia (profil o przekroju zamkniętym), z jednej strony zakończony pierwszym tłokiem a z drugiej drugim tłokiem, zaś pomiędzy tymi częściami - we wnętrzu korpusu znajduje się wypełnienie materiałem wypełniającym o powyższych cechach. Zatem przestrzeń wypełniona materiałem wypełniającym ograniczona jest z każdej strony - z góry i z dołu tłokiem. Obciążenie wynikające ze ściskania wynalazku, czyli wywierane na pręt przekazywane jest dzięki takiej hybrydowej konstrukcji przez jeden z tłoków - dalej jako ciśnienie wywarte na wypełnienie czyli materiał wypełniający (ciecz lub żel lub materiał sypki lub kombinacja cieczy, żeli i materiałów sypkich) i dalej przekazywane jest na kolejny tłok jako ciśnienie wywarte przez wypełnienie - materiał wypełniający. W ten sposób obciążenie przyłożone do pręta od strony z jednym z tłoków realizuje się na kolejnym tłoku (i na odwrót). W korpusie pręta pojawiają się siły obwodowe - w przypadku wypełnienia cieczą np. wodą lub żelem - i występują dodatkowo siły pionowe wywołane tarciem materiału wypełniającego o ścianki korpusu pręta w przypadku wypełnienia materiałem sypkim lub kombinacją cieczy / żeli i materiałów sypkich. Aby zminimalizować tarcie w przypadku materiału wypełniającego zawierającego materiał sypki lub sam materiał sypki - pomiędzy wypełnieniem - materiałem wypełniającym i korpusem korzystne jest wprowadzenie na wewnętrznej powierzchni korpusu - warstwy lub warstw separacyjnych zmniejszających tarcie materiału wypełniającego o ścianki wewnętrzne korpusu pręta. Warstwa separacyjna lub warstwy separacyjne są zatem wykonane pomiędzy wewnętrzną stroną korpusu i materiałem wypełniającym i mogą być wykonane z polimerów. Zredukowanie sił pionowych w korpusie pręta znacząco redukuje negatywny wpływ wyboczenia na nośność.

O nośności pręta decyduje nośność korpusu pręta np. rury pod obciążeniem ciśnieniem panującym wewnątrz. Ale przy zastosowaniu materiałów wypełniających przekazujących obciążenie pionowe na płaszcz profilu zamkniętego poprzez tarcie - wszystkich ww. kombinacji z materiałem sypkim - czyli poza samymi cieczami i żelami - korzystnie należy ten efekt uwzględnić w ocenie nośności. Jeżeli efekt tarcia negatywnie wpływa na nośność pręta zatem korzystnie stosuje się na powierzchni wewnętrznej profilu zamkniętego - korpusu dodatkową warstwę lub układ warstw separacyjnych ww. zmniejszających efekt tarcia na ściany korpusu.

Każdy z tłoków od strony zewnętrznej pręta korzystnie są wyposażone w np. stalowe łożysko zapewniające osiowe przekazanie obciążenia.

Korpus opcjonalnie jest wyposażony w zawór odcinający służący do napełniania wypełnieniem, kontroli ciśnienia lub regulacji długości.

Korpus pręta, czyli profil o przekroju zamkniętym, który wypełniony jest materiałem wypełniającym i który zamknięty jest od góry i dołu tłokiem może być wykonany z dowolnych materiałów posiadających wytrzymałość na rozciąganie, takich jak metale lub materiały syntetyczne, korzystnie kompozyty FRP - polimery wzmocnione włóknem itp. Korzystnie do wykonania profilu - korpusu pręta stosuje się rury kompozytowe FRP. Takie rury charakteryzują się dużą wytrzymałością na obciążenie w postaci ciśnienia występującego wewnątrz (rozciąganie) i znacznie mniejszą wytrzymałością na ściskające, zewnętrzne obciążenie osiowe przyłożone do płaszcza takiej rury. Wynika to z anizotropii kompozytu, która jest powodem znacznego ograniczenia nośności przy ściskaniu w porównaniu z rozciąganiem. Stosując takie rozwiązanie można znacznie zwiększyć nośność przy ściskaniu prętów kompozytowych zwłaszcza o kształcie walca np. rury. Tłok wykonany np. z metalu, stali, aluminium lub tworzyw sztucznych, kompozytów, polimerów.

Wynalazek opisano bliżej w przykładach wykonania i pokazano na rysunku.

Konstrukcję pręta przedstawiono ideowo na fig. 1.

Oznaczenia z rysunku:

1. Korpus pręta - profil zamknięty najlepiej o przekroju cylindrycznym.

2. Materiał wypełniający czyli wypełnienie wewnątrz korpusu materiałem wypełniającym wnętrze profilu zamkniętego ograniczone od dołu i góry tłokiem - ciecz i/lub żel i/lub materiał sypki granulat lub kombinacja cieczy, żelu i/lub materiału sypkiego - granulatu czyli materiał wypełniający - ciecz lub żel o współczynniku Poissona około 0,5 lub mniejszym lub materiałem sypkim nieściśliwym lub mało ściśliwym o współczynniku Poissona od 0,5 lub mniejszym.

3. Tłok nr 1.

4. Tłok nr 2.

5. Uszczelnienie - opcjonalne w zależności od materiału wypełnienia.

6. Warstwa separacyjna zmniejszająca tarcie - opcjonalne w zależności od materiału wypełnienia kiedy stosuje się materiał sypki pojedynczo lub w mieszaninie z cieczą i/lub żelem.

7. Element zapewniający osiowe przekazanie obciążenia czyli łożysko zapewniające osiowe przekazanie obciążenia.

Jako materiał wypełniający stosuje się też określenie wypełnienie.

Przykład 1

Pręt stanowi w zasadniczej części korpus 1 tworzący profil o przekroju zamkniętym kołowym, który wypełniony jest wypełnieniem 2 - cieczą 2 - w tym przypadku o współczynniku Poissona ν wynoszącym 0,5 i tą cieczą jest w tym przykładzie olej hydrauliczny. Wypełnienie 2 w korpusie 1 zamknięte jest z jednej strony ruchomym tłokiem 3 a z drugiej strony drugim ruchomym tłokiem 4. Korpus 1 wykonany jest ze stali tj. S460, tłok wykonany jest z tej samej stali. Dodatkowo pomiędzy korpusem 1 tłokiem 3 i drugim tłokiem 4 są osadzone uszczelnienia hydrauliczne 5 wykonane z materiału polimerowego typowego dla uszczelnień hydraulicznych np. kompozyty poliuretanowe lub neoprenowe.

Dodatkowo są elementy zapewniające osiowe przekazanie obciążenia 7 tj. w tym przykładzie łożysko stalowe 7 ze stali S460 zamocowane znanym sposobem trwałym do tłoka 3 i tłoka 4 od strony zewnętrznej lub może być wykonane w całości z tłokiem czyli stanowić integralną część tłoka. Całość może być opcjonalnie wyposażona w zawór celem regulowania ciśnienia lub długości pręta - zawór łączy urządzenie z układem sterującym lub kontrolującym ciśnienie. Ten zawór zamocowany jest trwale do korpusu 1.

Tak wykonany pręt zapewnia zwiększoną odporność na wyboczenie podczas ściskania w porównaniu do innych prętów bez nowych dodatkowych cech konstrukcyjnych - przekazywanie obciążenia od pierwszego tłoka 3 do drugiego tłoka 4 poprzez wypełnienie 2 opisano powyżej. Wykazano to testując dodatkowo prototyp opisany w przykładzie dalszym.

W tym przykładzie nie wykonano dodatkowej warstwy separacyjnej 6.

PL 248562 Β1

Przykład 2

Pręt zbudowany jest podobnie jak opisano poprzednio tylko, że do wykonania elementów stalowych użyto stali S420 a jako materiał wypełniający jest granulat, czyli materiał sypki. Zwiększenie nośności zależy od współczynnika tarcia granulatu wypełniającego o ścianki wewnętrzne korpusu. Aby zminimalizować tarcie w przypadku materiału wypełniającego zawierającego materiał sypki na całej długości - wewnętrznej powierzchni korpusu 1 wykonano pojedynczą warstwę separacyjną 6 celem zmniejszenia tarcia materiału wypełniającego o ścianki wewnętrzne korpusu 1. Warstwa separacyjna 6 wykonana jest pomiędzy wewnętrzną stroną korpusu 1 i materiałem wypełniającym 2 i wykonana jest z PTFE - polimer fluorowy.

Pręt w bazowej części to korpus 1 tworzący profil o przekroju zamkniętym kołowym, który wypełniony jest granulatem 2 tj. piasek - w tym przypadku o współczynniku Poissona około 0,35. Wypełnienie 2 w korpusie 1 zamknięte jest z jednej strony ruchomym pierwszym tłokiem 3 a z drugiej strony kolejnym - drugim tłokiem 4. Korpus 1 wykonany jest ze stali - w tym przykładzie S420, tłok wykonany jest ze stali tj. S420. Dodatkowo pomiędzy korpusem 1 i tłokiem są osadzone uszczelnienia mechaniczne 5 wykonane z - elastomeru. Dodatkowo w tym przykładzie wprowadzono łożyska 7 czyli elementy zapewniające osiowe przekazanie obciążenia tj. w tym przykładzie w postaci elementów stożkowych. Łożyska 7 są wykonane podobnie jak opisano w przykładzie 1.

Przykład 3

Pręt zbudowany jest podobnie jak opisano poprzednio w przykładzie 2 tylko, że jako materiał wypełniający użyto mieszaniny cieczy i granulatu wymienionych w przykładzie 1 i 2 w proporcji 1:1.

Przykład 4

Potwierdzenie efektu według wynalazku.

Sprawdzono efekty wynalazku pręta ściskanego o przekroju rurowym hybrydowym czyli samego korpusu z wypełnieniem cieczą jak opisano w przykładzie 1.

Obliczenia dotyczą określenia nośności pręta według wynalazku idealnie ściskanego podpartego przegubowo.

Przedstawiono podstawowe obliczenie dla przekroju rurowego, stalowego ze stali typu S460 o wytrzymałości R = 460 MPa.

Parametry:

Długość pręta I = 5 m,

Średnica przekroju rurowego φ = 70 mm,

Grubość ścianki korpusu t = 3,2 mm,

Moment bezwładności przekroju rurowego J = 375 000 mm⁴.

Obliczenie nośności przy ściskaniu wg Eulera: Siła krytyczna przy czystym ściskaniu wynosi:

z \2 I ^π I Pk := I γ I -E-J Pk=30.35 kN

Obliczenie nośności przy zastosowaniu wynalazku:

W przypadku wykorzystania pręta w konstrukcji hybrydowej - czyli z wypełnieniem cieczą którą opisano w przykładzie 1 o nośności decyduje wartość ciśnienia cieczy o podanych wartościach współczynnika Poissona powodująca rozerwanie profilu rurowego - korpusu.

Ciśnienie rozrywające rurę w przybliżeniu wynosi:

C = R*t/r C = 46,3 MPa,

Powierzchnia każdego tłoka wynosi At = 3177 mm²,

Nośność pręta hybrydowego przy rozerwaniu: P_pc = C*At, P_Pc= 147 kŃ.

Wniosek: Pręt hybrydowy zbudowany z rury φ = 70 mm, t = 3,2 mm przy długości I = 5 m z wypełnieniem cieczą o wartości współczynnika 0,5 lub mniejszy teoretycznie zwiększa niemal pięciokrotnie nośność przy ściskaniu w stosunku do klasycznego pręta ściskanego o tym samym przekroju kołowym.

Potwierdza to efekty wynalazku.

Na tej podstawie można wnioskować, że w przypadku zastosowania wypełnienia granulatem materiałem sypkim gdzie współczynnik Poissona jest mniejszy od 0,5 lub mieszaniną cieczy o wsp.

Poissona 0,5 i mniejszym i materiału sypkiego i/lub ewentualnie żelu o wsp. Poissona 0,5 lub mniejszym uzyska się również podobne cechy, zwłaszcza, że jak dodaje się materiał sypki jako pojedynczy lub w mieszaninie z innym rodzajem wypełnienia to stosuje się warstwę separacyjną jak opisano w przykładzie 2.

Ponadto wykonano prototyp gdzie wykonano jeden tłok z jednej strony.

Sprawdzono w ten sposób efekty wynalazku - gdyż jeżeli wykazano efekty z jednym tłokiem i korpusem z wypełnieniem opisanym w przykładzie 1 to można stwierdzić, że w przypadku dwóch tłoków tym bardziej uzyska się oczekiwane efekty.

Wykonano prototyp pręta ideowo zgodny z opisem przykładu nr 1.

Zbadano nośność przy ściskaniu dla pręta wykonanego z rury stalowej φ 57/7,1 mm o długości l = 6,07 m. Pręt hybrydowy zamocowano z obu stron przegubowo w konstrukcjach oporowych. Siłę w pręcie zwiększano poprzez zwiększanie ciśnienia cieczy wewnątrz za pomocą pompy hydraulicznej wyposażonej w manometr. Uzyskano niemal 2,31 razy większą nośność przy ściskaniu niż by to wynikało z nośności przy wyboczeniu. Eksperyment zakończono z uwagi na deformacje (obrót) zamocowania pręta od strony tłoka.

Teoretyczna siła krytyczna dla pręta rurowego wg Eulera wynosi Pk = 19,38 kN.

Siła uzyskana w eksperymencie to Pp = 45 kN.

Claims (6)

1. Pręt ściskany stanowiący profil o przekroju zamkniętym zbudowany w zasadniczej części z korpusu, znamienny tym, że korpus (1) wypełniony jest wypełnieniem (2) materiałem wypełniającym (2) będącym cieczą lub żelem o współczynniku Poissona około 0,5 lub mniejszym lub materiałem sypkim nieściśliwym lub mało ściśliwym o współczynniku Poissona mniejszym od 0,5 lub ich dowolną kombinacją, a ponadto korpus (1) z jednej strony zakończony jest pierwszym tłokiem (3), a z drugiej drugim tłokiem (4).

2. Pręt według zastrz. 1, znamienny tym, że korpus zakończony z dwóch stron tłokiem (3, 4) jest tak skonstruowany aby obciążenie przekazywane było w całości lub części z jednego końca na drugi koniec pręta poprzez ciśnienie wywarte na materiał wypełniający (2).

3. Pręt według zastrz. 1-2, znamienny tym, że w przypadku wypełnienia (2) materiałem sypkim lub kombinacją materiału sypkiego z cieczą i/lub żelem pomiędzy wypełnieniem (2) i korpusem (1) opcjonalnie wykonano na wewnętrznej powierzchni korpusu warstwę separacyjną (6) lub warstwy separacyjne (6) wykonane z takiego materiału, aby zmniejszyć tarcie materiału sypkiego o ścianki korpusu (1).

4. Pręt według zastrz. 1-3, znamienny tym, że tłok (4) od strony zewnętrznej wyposażony jest w łożysko zapewniające osiowe przekazanie obciążenia.

5. Pręt według zastrz. 1-4, znamienny tym, że wypełnieniem (2) jest ciecz o współczynniku Poissona 0,5 lub mniejszym.

6. Pręt według zastrz. 1-5, znamienny tym, że wyposażony w zawór odcinający służący do napełniania, kontroli ciśnienia lub regulacji długości.