W ostatnich czasach coraz częściej słyszy się o próbach zastosowania alternatywnych materiałów w przemyśle maszynowym. Starania te mają na celu redukcję kosztów produkcji obrabiarek i poprawę ich właściwości dynamicznych. Na przykład w procesie wytwarzania wielkogabarytowych elementów, takich jak łoża obrabiarek, coraz częściej miejsce żeliwa i stali zajmuje polimerobeton. Natomiast beton ze spoiwem cementowym, choć ze względu na niższe ceny samego materiału i brak negatywnego wpływu na środowisko wciąż stanowi atrakcyjną alternatywę dla innych surowców, nie zyskał dotąd dominującej pozycji na rynku i obecnie jest stosowany jedynie w sporadycznych przypadkach, np. jako surowiec na łoża obrabiarek lub – w formie znacznie droższego betonu ultrawysokowartościowego (UHPC) – na inne elementy konstrukcji nośnej. Barierą na drodze do jego popularyzacji jest brak podstawowych badań dotyczących jego wytrzymałości na obciążenia o wysokiej częstotliwości (relatywnie mała odporność na rozciąganie), a także dynamicznej wytrzymałości zmęczeniowej połączeń poszczególnych części konstrukcji. Podobnie jak w przypadku polimerobetonu połączenia w betonie cementowym tworzone są za pomocą wkręcanych kołków lub kotew. Naukowcy z Akwizgranu postanowili zbadać ich wytrzymałość na rozciąganie, posługując się dwoma przykładami dostępnych na rynku kotew do zabetonowania. Badania w wysokich częstotliwościach przeprowadzono na nowym rezonansowym stanowisku kontrolno-pomiarowym.

Laboratorium Obrabiarek wspólnie z Instytutem Badań nad Budownictwem Reńsko-Westfalskiej Wyższej Szkoły Technicznej w Akwizgranie w ramach wspólnego projektu badawczego prowadzą badania nad możliwościami zastosowania betonu cementowego w produkcji obrabiarek. Ich część koncentruje się na właściwościach wytrzymałościowych różnych typów betonu na typowe dla przemysłu maszynowego, a niewystępujące w budownictwie wzbudzenia wysokiej częstotliwości (do > 500 Hz). Testy przeprowadzane są na specjalnie do tego celu przygotowanym rezonansowym stanowisku kontrolno-pomiarowym, a pierwsze wyniki po 100 mln cykli obciążenia ukazały się drukiem [1, 2].

Nadal prowadzone są także badania podstawowe nad właściwościami połączeń elementów konstrukcyjnych obrabiarek, które mają dostarczyć informacji na temat dodatkowych sił działających na połączenie śrubowe [3], a także umożliwić przedstawienie na tej podstawie wyników pomiarów sił dynamicznych działających na śrubę w połączeniach podczas użytkowania obrabiarki [4].

Rys. 2. Budowa rezonansowego stanowiska kontrolno-pomiarowego do badań zabetonowanych tulei

Połączenia śrubowe w betonie realizowane są za pomocą gwintowanych kotew stosowanych także w budownictwie, których zadaniem jest utworzenie połączenia kształtowego między śrubą a betonem. Kotwę wprowadza się do formy odlewniczej elementu z betonu jeszcze przed procesem wiązania. Jest ona wyposażona w gwint wewnętrzny umożliwiający przymocowanie do niej łącznika (np. prowadnicy, szyny prowadzącej, kozła łożyskowego). Lokalne obciążenie betonu osiąga największe wartości w sąsiedztwie tulei gwintowanych (połączeń), a strumień sił przepływa przeważnie przez tuleję lub otaczający ją beton [4]. Duże obciążenie wstępne połączeń w betonie powstaje już pod wpływem momentu dokręcającego podczas dokręcania śruby z zadanym momentem obrotowym, zależnym od wielkości i klasy wytrzymałości zastosowanych śrub. Śruby popularnych szyn prowadzących (np. o rozmiarze 45) mogą być dokręcane z momentem obrotowym do 145 Nm (M12, klasa wytrzymałości 12.9). W rezultacie w połączeniu śrubowym powstaje naprężenie wstępne o wartości ok. 65 kN [5]. Jeśli jako podstawowy surowiec stosowany jest beton, należy się upewnić, że może on wytrzymać takie obciążenie mimo mniejszej wytrzymałości na rozciąganie. W zależności od kształtu łącznika beton może bowiem zostać obciążony statycznie całym naprężeniem wstępnym śruby (np. w przypadku prowadnicy liniowej z wpustem dolnym).

Oprócz sił statycznych w trakcie pracy maszyny połączenia podlegają także oddziaływaniu sił dynamicznych. Ich wartości są zależne od miejsca połączenia, wielkości obrabiarki, rodzaju procesu oraz ruchu maszyny. W tym przypadku stosowanie uogólnień jest niemożliwe, a szacowanie na podstawie symulacji może się okazać zawodne. Jako przykład mogą posłużyć wyniki eksperymentalnej analizy przeprowadzonej przez naukowców z Akwizgranu, w której badaniu poddano dynamiczne siły połączenia między prowadnicą a wspornikiem osi liniowej [4]. Wyniki tych badań stanowiły punkt wyjścia do określenia wytrzymałości zmęczeniowej (przy znacznie większych okresowych amplitudach obciążeń) połączeń śrubowych z użyciem kotew. Jako narzędzie wykorzystano rezonansowe stanowisko kontrolno-pomiarowe umożliwiające przeprowadzenie testów kontrolnych pod bardzo wysokimi obciążeniami przemiennymi.

Szczegółowe informacje na temat budowy wspomnianego wyżej stanowiska można znaleźć w odpowiednim źródle [1]. W artykule przedstawiono jedynie główne komponenty przyrządu poddane wzbudzeniom dynamicznym. Na rys. 2 (pośrodku) pokazano przekrój poprzeczny części stanowiska – określanej w uproszczeniu jako oscylator harmoniczny – z obiektem badawczym umieszczonym w głównym strumieniu siły. Po lewej stronie widoczny jest badany detal z zabetonowaną, płasko oszlifowaną tuleją (typ H2), a poniżej – testowane tuleje w rozmiarze M8. Oprócz tulei z podcięciem (H1) analizie poddano także posadowioną w polimerobetonie tuleję do dużych obciążeń (H2) ze spiralnym rowkowaniem zewnętrznym.

Obiekt badawczy został od spodu sklejony z płytą przenoszącą obciążenia, od góry zaś – inaczej niż w dotychczas publikowanych badaniach – skręcony osiowo ze stanowiskiem kontrolno-pomiarowym. W tego typu połączeniu śrubowym mogą zachodzić dwa rodzaje naprężeń wstępnych zależne od głębokości osadzenia kotwy, przedstawione po prawej stronie ilustracji na przykładzie tulei H1 (trajektoria siły) [4]. W przypadku wariantu z „zagłębioną tuleją” naprężenie wstępne przenoszone jest przez beton, co wpływa niekorzystnie na materiał (strefy zaznaczone na pomarańczowo poddane wysokim naprężeniom rozciągającym na krawędziach). Dlatego też wariant ten zastosowano w kolejnych eksperymentach, których wyniki przedstawiono na wykresach.

Jako kryterium oceny wyników pomiaru – oprócz wykresów czasowych (sił, specyficznego dla danej siły rozszerzania badanego obiektu) – zastosowano sztywność osiową połączenia śrubowego analizowaną przed cyklem, w trakcie oraz po zakończeniu cyklu za pomocą funkcji odpowiedzi częstotliwościowej (ang. Frequency Response Function – FRF). Ze względu na stałą masę badanych obiektów każdy spadek częstotliwości rezonansowej należy postrzegać jako równoznaczny z utratą sztywności. Inaczej niż w badaniach wytrzymałości zmęczeniowej przeprowadzanych na próbkach o średnicy 100 mm w badaniach kotew wykorzystano obiekty o średnicy 150 mm, przez co zachowano odpowiedni odstęp kotwy od krawędzi materiału. Ponieważ maksymalne naprężenia rozciągające na przekroju betonu w strefach bezpośrednio nieprzylegających do tulei były niewielkie (ok. 0,6 N/mm), badaniu poddano jedynie sztywność połączenia śrubowego i struktury betonu w jego najbliższym sąsiedztwie.

Jako materiał do badań wykorzystano beton zwykły (NB) i beton ultrawysokowytrzymały (UHPC) niezbrojony włóknem stalowym. Skład obu gatunków betonu jest identyczny z tym opisanym w źródle [2].

Badane obiekty z obu rodzajów betonu zostały poddane drganiom o sile ok. 10 kN przy neutralnym naprężeniu wstępnym. Tego rodzaju obciążenie w przypadku łączników o rozmiarze M8 wymaga zastosowania śrub o klasie wytrzymałości 12.9. Wartość naprężenia wstępnego odpowiadała typowym wartościom referencyjnym (moment dokręcający 43 Nm dla śruby M8-12.9) [5].

Rys. 3. Wybrane wykresy czasowe i odpowiedzi częstotliwościowe dla trzech obiektów badawczych (PK 1)

Każdy rodzaj betonu został poddany trzem testom z zastosowaniem tulei H1. W przypadku betonu zwykłego przeprowadzono dodatkowo trzy badania z użyciem wysokowytrzymałej tulei H2. Wyniki pomiarów przedstawiono na rys. 3 w formie wykresów liniowych wybranych wskaźników dla tulei H2 (górna część ilustracji) oraz dla tulei H1 osadzonej w betonie zwykłym (część środkowa) i betonie UHPC (część dolna).

Na podstawie wykresów przyspieszenia i siły (1. i 2. kolumna) można wyliczyć poziom rozszerzenia obiektu badań w promilach w odniesieniu do przyłożonej siły wyrażonej w kiloniutonach. Po uwzględnieniu kierunku ruchu uzyskujemy również obraz skrócenia względnego (kolor niebieski) i wydłużenia względnego (kolor czerwony) obiektu badawczego i połączenia śrubowego (3. kolumna). Można zauważyć, że wydłużenie względne przyjmuje większe wartości niż skrócenie względne. Wynika to z faktu, że w przypadku skrócenia górna powierzchnia obiektu badawczego opiera się płasko na powierzchni betonu, co prowadzi do wzrostu jego sztywności. Ten zależny od geometrii efekt nie ma jednak w praktyce większego znaczenia. Interesująca wydaje się natomiast zmiana wartości wydłużenia względnego pod wpływem zmiany obciążenia. Zjawisko to zaobserwowano w przypadku obu tulei i rodzajów betonu, z tym że tuleja H1 w UHPC podlegała stałemu wydłużeniu w czasie, podczas gdy ta sama tuleja osadzona w betonie zwykłym wykazywała większe wydłużenie na początku i mniejsze pod koniec cyklu. Zarówno w przypadku UHPC (H1), jak i betonu zwykłego (H2) doszło do lekkiego spadku częstotliwości rezonansowych (odpowiednio o 2,6% oraz 3,1%) przy jednoczesnej intensyfikacji wydłużenia względnego. W przypadku betonu zwykłego ze standardową tuleją (H1) stwierdzono natomiast stabilny rozkład wydłużenia z minimalnym wzrostem jego prędkości. Przegląd wszystkich wyników badań przedstawiono w tabeli.

Badanie wytrzymałości zmęczeniowej dwóch różnych połączeń kotwowych na jednym rezonansowym stanowisku kontrolno-pomiarowym pozwoliło określićogólną wytrzymałość zmęczeniową po 100 mln cykli obciążenia dla dwóch różnych rodzajów betonu poddanych wysokim obciążeniom dynamicznym. Ze względu na długą procedurę badawczą (ok. 4 dni na jeden obiekt badawczy) w pierwszym etapie analizie poddano jedynie trzy obiekty dla każdego wariantu połączenia, przez co nie można było zagwarantować statystycznej powtarzalności wyników. Mimo to można na ich postawie zdefiniować pierwsze trendy: sztywność połączenia śrubowego wydaje się nieznacznie wzrastać, co wskazywać może na wzmocnienie struktury w strefie połączenia. W przypadku UHPC zaobserwowano równomierny rozkład zmian w czasie, niedostrzegalny w przypadku betonu zwykłego. Właściwość ta powinna zostać dokładnie zbadana i wzięta pod uwagę podczas tworzenia połączeń kotwowych korpusów obrabiarek. W ramach dalszych badań należy przeprowadzić kolejne badania z wykorzystaniem płasko osadzonych tulei (rys. 2, prawa górna strona), a także wzmocnić statystyczną wymowę przedstawionych tu wyników przez przeprowadzenie powtórnych badań na tulejach zagłębionych. Celem przyszłych badań w tym zakresie powinno być opracowanie wytycznych w zakresie tworzenia połączeń elementów betonowych obrabiarek dla różnego typu betonów, aby w ten sposób umożliwić wykorzystanie potencjału betonów cementowych w budowie tych maszyn.