Определение максимальной силы при ударе для снижения риска производственного травматизма

При погрузочно-разгрузочных работах с хлыстами или сортиментами на деревообрабатывающих и лесозаготовительных предприятиях бывают случаи падения перемещаемого объекта на раму транспортной машины или стационарного накопительного устройства. При этом так же происходит удар деревянного объекта по жесткой металлической раме.

Повышение производительности деревообрабатывающего оборудования требует не только повышения режимов резания и подачи станка, но и повышения скорости переместительных операций при подаче обрабатываемых заготовок к станку. Остановка движущейся заготовки у станка, как правило, происходит с помощью упоров, ограничивающих ее движение. При этом происходит удар заготовки об неподвижный стальной упор. Возникает ударная сила, зависящая от многих факторов: массы и скорости движущегося тела, его физических свойств, формы поверхностей в зоне контакта соударяемых тел. С увеличением скорости движения останавливаемого тела величина ударной силы увеличивается.

Безопасность любой конструкции обеспечивается, если в расчеты на прочность при ее проектировании закладываются наибольшие значения нагрузок. В рассматриваемых случаях безопасная эксплуатация – это исключение возможности выпадения перемещаемого объекта за упоры и ограждения. Данная ситуация резко повышает возможность возникновения опасных производственных факторов, увеличивает площадь опасной зоны, риск возникновения тяжелых производственных с летальным исходом.

Кинетическая энергия массивного тела, движущегося с большой скоростью, велика и при ударе о неподвижную преграду возникают большие динамические нагрузки, которые могут привезти к поломке упоров или ограждений и, тем самым, создать опасную ситуацию. Поэтому при расчете на прочность конструкции необходимо знать величину наибольшей силы, возникающей при ударе. Применяемый в настоящее время инженерный метод расчета с определением динамического коэффициента дает очень приблизительные результаты. Знание величины максимальной силы, возникающей при ударе о неподвижную жесткую конструкцию, необходимо для конструирования упоров на транспортерах и оградительных устройств, обеспечивающих бесперебойную работу оборудования и безопасность.

Проведение опытов по определению ударных нагрузок сложно, а порой и невозможно осуществить. Герц [1] предположил, что статическая зависимость между силой и вызванной ею деформацией справедлива и в динамике. Это предположение подтверждено экспериментально В.В.Панферовым [2] при ударном сжатии деревянных образцов малых размеров. В работе [3] показано, что зависимость между силой и деформацией при изгибе при ударной и статической нагрузке одинакова. Предполагаем, что зависимость между силой и вызванной ею местной деформацией при поперечном сжатии круглого деревянного образца при статической и ударной нагрузке одинакова. Поэтому предлагаем заменить динамические опыты по определению ударных нагрузок на статические. Тогда для определения сил, возникающих при ударном приложении нагрузки, достаточно иметь зависимость между силой и деформацией, полученной при статическом сжатии.

Такие опыты по сжатию в радиальном направлении крупных круглых деревянных образцов были проведены А.И.Фуриным [4]. Образцы диаметром D от 15 до 31 см сжимались с двух сторон стальными пластинами шириной l от 3 до 15 см и при этом записывалась диаграмма зависимости сжимающей силы от деформации. Во всех опытах на диаграмме имеется два участка: участок нагружения и участок разгрузки. На первом участке имеет место линейная зависимость между исследуемыми факторами и ее можно записать:

F = b a ,                 (1)

где b – коэффициент пропорциональности между деформацией и силой, зависящий от диаметра образца и ширины пластины, которая передает нагрузку на образец;

α – деформация образца в зоне контакта.

В действительности на диаграмме откладывается полная деформация, состоящая из местной в зоне контакта и общей деформации образца. Образцы во время опытов имели длину 80 – 100 см, длина образующей, по которой сжимались образцы на порядок меньше. Поэтому общая поперечная деформация мала, ее величиной можно пренебречь по сравнению с величиной местной деформации и считать, что на диаграмме откладывается только местная деформация.

Величина контактной силы при ударе зависит от кинетической энергии ударяющего объекта, модулей упругости соударяемых тел, их формы в зоне контакта, а для древесины еще от породы и влажности. Будем рассматривать случай поперечного удара деревянного цилиндрического тела, для которого имеется зависимость между силой и деформацией, учитывающая все перечисленные факторы.

В процессе соударения тел происходит местная деформация в зоне контакта. Процесс соударения делится на два этапа. На первом этапе тела сближаются, увеличивается деформация и, как следствие, увеличивается сила. При этом скорость движущегося тела уменьшается. Когда скорость становится равной нулю - деформация максимальна, максимальна и ударная сила. В дальнейшем скорость движущегося тела меняет направление на противоположное, деформация и сила уменьшаются. Процесс про- должается до тех пор, пока сила не станет равной нулю и тело начнет двигаться отдельно.

Величину максимальной ударной силы можно найти на основе известного закона сохранения энергии. Из него следует, кинетическая энергия движущегося тела E переходит в потенциальную энергию деформации тел. Для рассматриваемого случая общей деформацией ударяемого тела и энергией, затрачиваемой на эту деформацию, можно пренебречь. Остается только энергия местной деформации W , которая при линейной зависимости силы от деформации вычисляется по формуле

W =

a

F max max

a - максимальная местная деформа-max ция во время удара;

F – максимальная контактная сила, max действующая в процессе соударения.

Кинетическая энергия E движущегося тела в момент начала контакта при ударе определяется по известной формуле mV 2

E = ------ ,

где m – масса движущегося тела;

V – скорость тела в начале удара.

Приравняв кинетическую энергию движущегося тела E к потенциальной энергии местной деформации в зоне контакта соударяемых тел W и сделав преобразования, получаем

F = V 2 mb .            (4)

max

Получена простая формула для определения максимальной силы при поперечном ударе круглого цилиндрического тела по неподвижной опоре. Из полученной формулы видно, что максимальная сила зависит линейно от скорости, а от массы ударяемого тела и параметра b связывающего силу и деформацию в степени 0,5.

По данным [4] параметр b можно определить по эмпирической формуле b = 2,31 - 0,019 D 2 + 1,119 D - 6,06 .   (5)

Расчеты, выполненные по формуле (5), показывают, что в рассматриваемом диапазоне диаметров ( D =15 – 31см) и длины линии контакта ( l =3 –15см) величина параметра b увеличивается с увеличением независимых параметров ( D и l ). Удар становится более жестким, а величина максимальной силы увеличивается. В качестве примера вычислена величина максимальной силы при ударе свежеспиленного соснового бревна диаметром D =20 см длиной L = 2 м движущегося со скоростью 1м/с о неподвижную жесткую преграду при длине ее контакта с образующей бревна l =5см. Величина этой силы составляет F =46,5 кн. max

Заключение и выводы

При ударе деревянного объекта не по жесткой, а по деформируемой конструкции, возникают деформации этой конструкции, на которые также расходуется энергия. Максимальная ударная сила при этом уменьшается и, следовательно, определение максимальной силы при ударе по предлагаемой методике идет в запас.

Предложенная методика определения максимальной ударной силы справедлива в случае, если ее линия действия проходит через центр масс движущегося тела. Если это условие не выполняется, то в процессе соударения тело совершает плоское движение, состоящее из поступательного и вращательного вокруг точки контакта. В этом случае приравнять кинетическую энергию движущегося тела и потенциальную энергию деформации нельзя, так как надо еще учитывать кинетическую энергию вращательного движения. Однако учет вращательного движения уменьшает величину максимальной силы и, следовательно, определение максимальной силы по предлагаемой методике идет в запас.

Для вычисления максимальной силы, возникающей при продольном ударе деревянного сортимента об неподвижный упор, необходимо провести дополнительные статические опыты по определению зависимости между сжимающей силой и местной деформацией в продольном направлении.