WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


На правах рукописи

Синицына Василя Василевна

ИССЛЕДОВАНИЕ И ОБЕСПЕЧЕНИЕ НАГРУЗОЧНОЙ СПОСОБНОСТИ СОЕДИНЕНИЙ С НАТЯГОМ ПОД ДЕЙСТВИЕМ ИЗГИБАЮЩЕГО МОМЕНТА И ВРАЩЕНИЯ

Специальность 05.02.02 – «Машиноведение, системы приводов и детали машин»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Ижевск – 2012

Работа выполнена на кафедре «Мехатронные системы» ФГБОУ ВПО «ИжГТУ имени М.Т.

Калашникова».

Научный руководитель Заслуженный деятель науки и техники РФ доктор технических наук, профессор Абрамов Иван Васильевич

Официальные оппоненты: Заслуженный деятель науки РФ доктор технических наук, профессор Ефимов Игорь Николаевич Доктор технических наук, профессор Тарасов Валерий Васильевич Ведущая организация ОАО «Конструкторское бюро электроизделий XXI века»

Защита диссертации состоится «03» июля 2012 г., в 10:00 часов, на заседании диссертационного совета Д 212.065.01 в ФГБОУ ВПО «ИжГТУ имени М.Т. Калашникова» по адресу: 426069, Россия, г. Ижевск, ул. Студенческая, 7.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «ИжГТУ имени М.Т.

Калашникова».

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенных гербовой печатью, просим направлять по адресу: 426069, Россия, г. Ижевск, ул. Студенческая, 7, ФГБОУ ВПО «ИжГТУ имени М.Т. Калашникова» на имя учёного секретаря диссертационного совета, факс: 8 (3412) 58-88-57,

Автореферат разослан «30» мая 2012 г.

Учёный секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор Щенятский Алексей Валерьевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ



Актуальность темы диссертации. В конструкциях современных машин и механизмов широко распространены соединения с натягом, благодаря ряду их преимуществ: простота конструкции, возможность восприятия и передачи произвольно направленных нагрузок.

Выход из строя соединений с натягом приводит к отказу машин и простою оборудования, что влечет за собой техногенные явления и экономические потери.

Исследованиями ученых и промышленным применением установлены случаи снижения нагрузочной способности (НС) и самораспрессовки соединений с натягом под воздействием изгибающих нагрузок и вращения. При этом рассматриваются различные возможные причины снижения НС соединений с натягом при нагружении вращением и изгибающим моментом, но до сих пор нет общепринятого объяснения этого явления, отсутствуют объективные рекомендации по обеспечению требуемой НС соединений, испытывающих воздействие данного вида нагружения.

Исследование напряженно-деформированного состояния (НДС) деталей и НС при нагружении изгибающим моментом с вращением имеет существенное значение для рассматриваемой области знаний и позволит снизить вероятность экономических потерь, связанных с разрушением соединений.

Таким образом, проведение исследований для решения задачи обеспечения требуемой НС соединений с натягом под действием изгибающего момента и вращения является актуальным.

Цель работы – обеспечение требуемой НС соединений с натягом в условиях вращения и нагружения изгибающим моментом.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1) Выполнить анализ проблемы обеспечения требуемой НС соединений с натягом при воздействии изгибающего момента и вращения;

2) Исследовать НДС деталей соединений с натягом при приложении к нему комбинированных внешних нагрузок в виде изгибающего момента и вращения;

3) Исследовать влияние изгибающего момента и вращения на НС соединений с натягом;

4) Выявить механизм самораспрессовки соединений с натягом, нагруженных изгибающим моментом и вращением;

5) Провести экспериментальную проверку адекватности теоретических положений;

6) Разработать рекомендации по проектированию и эксплуатации соединений с натягом, работающих при изгибающих нагрузках с вращением.

Объект и предмет исследования. Объектом исследования являются соединения с натягом, нагруженные изгибом и вращением. Предметом исследования являются модели напряженно-деформированного состояния деталей соединений с натягом.

Методы исследования. Теоретическое исследование и вычислительные эксперименты базируются на известных положениях механики твердого деформируемого тела, методе конечных элементов (МКЭ). При обработке данных экспериментальных исследований соединений с натягом использовались методы математической статистики.

Достоверность и обоснованность результатов.

Достоверность обеспечивается использованием положений классической механики контактного взаимодействия, методов математической статистики при обработке данных численных и натурных экспериментов.

Обоснованность результатов подтверждается экспериментальной проверкой теоретических исследований, сходимостью полученных теоретических результатов с данными эксперимента, воспроизводимостью экспериментальных исследований, сопоставлением промежуточных результатов расчетов с результатами аналитических расчетов, с опытными данными других авторов, а также апробацией полученных результатов в производственных условиях.

Научная новизна:

1. Численным методом (МКЭ) решены контактная задача и задача о НДС деталей соединения с натягом при нагружении изгибающим моментом и вращением, в результате чего выявлен характер перераспределения контактных давлений и возможность раскрытия стыка.

2. Получены закономерности влияния величины изгибающего момента и частоты вращения на НС соединений с натягом. Обоснованы конструктивные параметры соединения, обеспечивающие требуемую НС.

3. Предложен механизм самораспрессовки соединений с натягом, нагруженных изгибающим моментом и вращением, заключающийся в снижении фактической площади контакта и, как следствие, НС до уровня, при котором действие возникающей силы распрессовки приводит к выползанию вала из втулки.

4. Обоснован способ разборки соединений с натягом при приложении изгибающего момента с вращением. Теоретически показана возможность сборки и разборки соединений с натягом на основе создания монтажного зазора центробежными силами при высоких частотах вращения.

На защиту выносятся:

1. Модели НДС и контактного взаимодействия деталей соединений с натягом, нагруженных изгибающим моментом с вращением.

2. Описание механизма потери НС соединений с натягом при нагружении изгибающим моментом и вращением.

3. Результаты экспериментального исследования по определению величины изгибающего момента, приводящего к распрессовке (самораспрессовке) соединений, при различных длинах сопряжений.

4. Рекомендации по обеспечению НС соединений с натягом, работающих при знакопеременных изгибающих нагрузках.

Практическая ценность:

Предложенная модель НДС деталей соединений с натягом при приложении изгибающего момента и вращения позволяет выбрать необходимые и достаточные для обеспечения требуемой НС величины натяга и длины сопряжения.

Разработанные рекомендации по обеспечению НС соединений с натягом, работающих при нагружении изгибающим моментом и вращением, позволяют исключить явления самораспрессовки соединений, увеличить надежность машин и механизмов.

Предложенный новый способ сборки и разборки соединений с натягом на основе создания монтажного зазора с применением центробежных сил при вращении, позволяет производить сборку валов с тонкостенными втулками и титановыми деталями, когда применение прессовых и тепловых методов сборки и разборки соединений с натягом ограничено. Применение нового способа разборки соединений с натягом на основе воздействия изгибающего момента и вращения, позволяет снизить энергозатраты на процесс разборки.

Реализация результатов. Результаты диссертационной работы применены при проектировании редукторов специального применения. Применение соединений с натягом с учетом разработанных рекомендаций вместо используемых шпоночных консольнонагруженных соединений шкивов, барабанов, звездочек и выходного вала позволяет снизить материалоемкость и трудозатраты при производстве редукторов. Результаты исследования используются в учебно-образовательном процессе кафедры «Управление качеством» ИжГТУ им. М.Т. Калашникова при выполнении курсовых и дипломных проектов по курсу «Детали машин». Использование 3D модели деталей соединения и МКЭ при проектировании соединений седла и корпуса клиновых задвижек, применяемых на атомных станциях, позволило уточнить величину натяга и минимальную ширину седла и, как следствие, уменьшить расход твердого сплава.

Апробация работы. Основные научные положения и практические результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на научных конференциях: на третьей научно-исследовательской конференции студентов, магистрантов и аспирантов факультета «Управление качеством» ИжГТУ, г. Ижевск, 2010; на 14-м международном симпозиуме «Мехатроника», Тренчанске Теплице, Словакия, 2011г.; на XII выставке-сессии инновационных проектов в рамках республиканского форума студентов, магистрантов, аспирантов и молодых ученых вузов, г. Ижевск, ИжГТУ, 2011.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 статей, из них 3 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения, библиографического списка из 104 наименований, содержит 138 страниц машинописного текста, 65 иллюстраций, 8 таблиц, 4 приложения.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении определен объект исследования, представлены современное состояние и существующие недостатки объекта исследования, обоснована актуальность, сформулированы научная новизна, цель диссертационной работы, определены методы исследования, показана практическая значимость работы, представлена краткая аннотация работы по главам.

В первой главе проведен анализ современного состояния теории и практики соединений с натягом. Рассмотрены конструктивные схемы соединений с натягом, нагруженных изгибающим моментом с вращением, и особенности их работы. На основе анализа методов расчета НДС и НС соединений с натягом, нагруженных изгибающим моментом и вращением, выделены их основные ограничения. Проведен анализ проблемы снижения НС.





Значительный вклад в теорию и технологию соединений с натягом внесли работы отечественных ученых Г.Я. Андреева, Е.И. Берникера, А.А. Ильяшенко, Б.Ф. Федорова, И.В.

Абрамова, А.В. Щенятского, В.С. Клековкина, Ю.В. Турыгина, Г.А. Бобровникова, Е.Ф.

Бежелуковой, И.И. Воячек, Н.С. Сивцева и др.

Анализ конструктивных схем соединений с натягом, нагруженных изгибающим моментом и вращением, показал, что данный вид нагружения соединений широко распространен в машиностроении. Однако, в процессе эксплуатации соединений с натягом, испытывающих подобный вид нагружения, отмечается снижение НС соединений, вплоть до самораспрессовки. Проблеме снижения НС посвящено большое количество работ отечественных и зарубежных ученых – А.С. Иванова, Е.Ф. Бежелуковой, Н.Е. Курносова, Alfredsson, Madia, Urriolagoitia и др. Случаи самораспрессовки соединений с натягом описаны в работах Л.Т. Балацкого, Е.И. Берникера, И.С. Гречищева, И.В. Кудрявцева.

В результате аналитического обзора установлено, что применяемые в инженерной практике методы определения НДС и НС соединений с натягом под действием изгибающей нагрузки и вращения, являются приближенными, так как не в полной мере учитывают особенности нагружения изгибающим моментом и вращением. Аналитические методы определения НДС и НС не учитывают явление перераспределения контактного давления, возникающего при нагружении изгибающим моментом, а также центробежные силы, возникающие при вращении соединения. Экспериментальные зависимости для определения НС получены при частотах вращения до w = 1600об / мин, и могут не соответствовать современным условиям эксплуатации соединений с натягом, когда частоты вращения шпинделей достигают w = 100000об / мин. Отсутствуют работы, описывающие НДС деталей соединении при нагружении изгибающим моментом и вращением.

Анализ работ, посвященных проблеме полной потери НС соединений с натягом при нагружении изгибающим моментом и вращением, выявил факт отсутствия объективных рекомендаций по обеспечению требуемой НС соединений. Большинством исследователей в качестве одного из факторов, приводящих к снижению НС соединений с натягом, указывается микроскольжение на поверхности контакта. Однако, в рассмотренных работах не описываются условия возникновения микроскольжения в контакте, зависимость начала скольжения и его площади от натяга и длины сопряжения, распределение зон скольжения по поверхности контакта и механизм распространения зоны скольжения при увеличении изгибающего момента.

Анализ отечественных и зарубежных научных публикаций, диссертаций и авторефератов диссертаций, по тематике исследования показал на актуальность проблемы обеспечения требуемой НС соединений с натягом в условиях вращения и нагружения изгибающим моментом. На основе проведенного анализа современного состояния теории соединений с натягом, существующих методов расчета НДС и НС соединений, нагруженных изгибающим моментом с вращением, сформулированы задачи исследования.

Вторая глава посвящена теоретическому исследованию НДС деталей соединения и НС при воздействии изгибающего момента и вращения.

Моделирование соединений с натягом произведено в программном комплексе ANSYS (Customer number 607281, Academic Research 12.1). Решена 3-х мерная контактная задача о НДС с учетом воздействия изгибающей силы, вынесенной за область контакта, коэффициента трения, влияния центробежных сил, возникающих при вращении, перераспределения контактных давлений, возникающего в результате приложении изгибающей нагрузки.

Детали соединения при моделировании условно разбиваем на объемные 20-ти узловые элементы второго порядка. Грани объемных элементов изменяются от 0,1х0,5х0,7мм у поверхности контакта до 0,3х1,2х1,8мм у наружной поверхности втулки. Для моделирования контактного взаимодействия используем специальные 8-ми узловые контактные элементы размером 0,7х0,5 мм, располагающихся на поверхности объемных.

В качестве алгоритма решения контактной задачи используем метод штрафных функций, обладающий хорошей сходимостью при наименьшем количестве итераций.

Напряженное состояние контактного элемента описываем вектором с тремя координатами {pk 1 2}, (1) 1 где pk - напряжение в нормальном направлении к плоскости контакта, и касательные напряжения, действующие в плоскости контакта.

Контактное давление pk для каждого элемента вычисляем следующим образом:

pk = 0 при un > (2) pk = K un при un n где Kn – нормальная контактная жесткость, un – зазор (величина обратная натягу).

Нормальная контактная жесткость зависит от свойств материала, размеров элементов.

Касательные напряжения определяются на основе закона трения Кулона:

n- = + KSuj, если < lim j j uj (3) j = fтр pk u, если = lim n-где – касательное напряжение в направлении j в конце предыдущего шага, – K j S касательная контактная жесткость, u – приращение перемещения в направлении j на j текущем шаге, u – эквивалентное приращение перемещения, – коэффициент трения, f тр – эквивалентное касательное напряжение, = f pk – предельное касательное lim тр напряжение.

Эквивалентные касательные напряжения, возникающие в контактных элементах соединений с натягом, определяются соотношением 2 = 1 + (4) При моделировании соединения с натягом, нагруженного изгибающим моментом и вращением, для описания состояния контакта используем три статуса: сцепление, скольжение и раскрытие стыка. На основании базовой модели трения Кулона состояние «скольжение» присваивается контактному элементу при превышении силы трения покоя lim.

Если эквивалентные касательные напряжения не превышают предельных значений, то такое состояние определяется как «сцепление». Состояние «раскрытие стыка» присваивается при положительной величине зазора. Таким образом, условия для определения состояния контакта можно записать в следующем виде:

- сцепление, lim > - скольжение, (5) lim.

un > 0 - раскрытие стыка Граничные условия представлены закреплениями и внешней изгибающей нагрузкой.

Закреплениями ограничены перемещения узлов, находящихся на торце охватывающей детали, по всем осям (рисунок 1). Приложение изгибающей нагрузки производится к узлам по периметру торцевого сечения выступающей части вала (рисунок 2, б). Исследование НДС и НС производится при четырёх схемах нагружения соединения с натягом.

а) б) в) г) Рисунок 1 – Схема нагружения соединения с натягом: (а) – без внешней нагрузки, (б) – при нагружении изгибом, (в) – при нагружении вращением, (г) – при нагружении изгибом и вращением.

Проведены численные эксперименты для соединения с натягом с номинальным диаметром посадки d = 10мм, наружным диаметром охватывающей детали d2 = 30мм, длиной вала L = 100мм. Величина натяга и длины сопряжения варьировались в пределах и соответственно. Материал обеих деталей – сталь 45, для которой N = 2...6мкм Lc = 5...15мм модуль упругости E = 21011 Па, коэффициент Пуассона µ = 0,3 = 7826 кг м, плотность.

Предел текучести и предел прочности для вала = 650МПа = 900МПа, для втулки и Т В и = 450МПа = 750МПа. Коэффициент трения в контактной паре принят fтр = 0,15. С Т В целью снижения концентрации контактных давлений под торцами охватывающей деталей в соединении, на валу принята фаска 1х45°, на втулке - 1,5х15°.

а) б) Рисунок 2 – Схема деления деталей соединения с натягом на конечные элементы (а): 1 – вал4, 2 – втулка; схема приложения изгибающей нагрузки (б) В результате исследования влияния изгибающей нагрузки и вращения на НДС деталей соединения с натягом установлено, что изгибающий момент приводит к перераспределению напряжений, а вращение к уменьшению контактных давлений. Одновременное воздействие этих факторов увеличивает площадь раскрытия стыка и уменьшает средние контактные давления. Напряжения в деталях рассмотренного соединения с натягом, возникающие при нагружении изгибающим моментом и вращением, не превышают пределы текучести материалов. Наиболее опасными являются напряжения растяжения, возникающие на валу в области торца соединения.

НДС деталей соединения рассматривается в продольном сечении, соответствующем плоскости приложения изгибающей силы. Анализ НДС деталей соединения с натягом и длиной сопряжения Lc = 10мм, нагруженного изгибающим моментом в опасном N = 6мкм сечении M = 17,5Нм и вращением w = 20000 об / мин показал, что наибольшие тангенциальные напряжения охватываемой и охватывающей деталей наблюдаются у поверхности контакта (рисунок 3, а). У охватывающей детали напряжения уменьшаются от 97,9 МПа до -2,8 МПа по мере удаления от зоны контакта в радиальном направлении. У охватываемой детали в зоне контакта наблюдаются сжимающие тангенциальные напряжения от 10 МПа до -100 МПа с концентрацией до -194 МПа на стороне сжатия ниже и выше оси симметрии.

а) б) F F в) г) F F Рисунок 3 – Поля напряжений в деталях соединения при нагружении изгибающим моментом и вращением, Па: а) тангенциальные, б) радиальные, в) осевые, г) интенсивность напряжений У обеих деталей в зоне контакта наблюдается значительная неравномерность распределения радиальных напряжений по длине соединения – напряжения варьируются в диапазоне от 0 до -100 МПа (рисунок 4, б). Максимальные значения напряжения до -240МПа, у обеих деталей возникают в зоне обоих торцов соединения. На втулке у левого торца возникают растягивающие напряжения.

Максимальные значения осевых напряжений возникают на валу у левого торца соединения: выше оси симметрии – растягивающие до 300 МПа, ниже оси симметрии – сжимающие напряжения до -310 МПа (рисунок 3, в). По мере удаления от левого торца к правому значения осевых напряжений на валу уменьшаются. Охватывающая деталь испытывает относительно вала небольшие осевые напряжения в пределах от -50 МПа до 80МПа. В зоне левого торца выше оси симметрии у охватывающей детали также возникают растягивающие осевые напряжения, которые сменяются сжимающими по мере приближения к центральной части зоны контакта.

По длине соединения интенсивность напряжений на охватываемой детали изменяется от 30 МПа до 250 МПа с концентрацией у левого торца на растянутой стороне и от 10 МПа до 150 МПа на сжатой стороне (рисунок 3, г). На втулке распределение интенсивностей напряжений по длине сопряжения также неравномерно. Наибольшие значения интенсивностей до 250 МПа наблюдаются на сжатой стороне втулки в области левого торца соединения.

Установлено, что перераспределение напряжений при нагружении изгибающим моментом может привести к уменьшению значений контактных давлений до нуля в области торца соединения (рисунок 4, а). В результате происходит раскрытие стыка соединения. За зоной раскрытия стыка наблюдается зона микроскольжения (рисунок 4, б). Участки микроскольжения также присутствуют у противоположного торца соединения.

б) а) Рисунок 4 – Контактные давления в соединении, Па (а) и состояние контакта при комплексном нагружении изгибающим моментом и вращением: 1 – область раскрытия стыка, 2 – область скольжения, 3 – область сцепления.

Установлено, что при увеличении скорости вращения с 0 до 20000 об./мин. среднее контактное давление уменьшается на 5,2% с 56,83 МПа до 53,86 МПа. При увеличении изгибающего момента в опасном сечении с 0 до 17,5 Нм величина средних по поверхности контакта давлений не изменяется. Совместное воздействие изгибающего момента и вращения приводит к увеличению площади раскрытия стыка и скольжения (таблица 1).

Таблица 1 – Значения средних по поверхности контактных давлений и доли площадей, соответствующих состоянию контакта «сцепление», «скольжение», «раскрытие стыка» при различных режимах нагружения Характеристики Контактные Доля площади Доля площади Доля площади Вид контакта давления «сцепления» «скольжения» «раскрытия нагружения pk, МПа Sсцеп,% Sскол,% стыка» S,% раск.ст.

ср Без нагрузки 56,83 100 0 w = Изгиб, M = 22,8Нм 56,84 87,54 10,02 2,Вращение, w = 20000об / мин 53,86 100 0 Изгиб и вращение, 54,2 74,34 20,28 5,M = 22,8Нм w = 20000об / мин В результате исследования влияния изгибающей нагрузки и частоты вращения на НС деталей соединения с натягом установлено: несмотря на то, что нагружение изгибающим моментом приводит к значительному перераспределению контактных давлений, величина средних по поверхности контакта давлений изменяется незначительно (рисунок 5). С увеличением изгибающего момента значение контактных давлений у левого торца снижается. Снижение значения давлений у левого торца до нуля, свидетельствует о раскрытии стыка соединения.

pk, МПа 443322150 10 20 40 M, Нм Рисунок 5 – Зависимость среднего контактного давления и давления в характерных точках соединения от изгибающего момента без вращения:

1 – контактные давления у левого торца, 2 – контактные давления в средней части соединения, 3 – контактные давления у правого торца, 4 – средние по поверхности контактные давления В результате исследования влияния частоты вращения на НС соединений с натягом получены закономерности влияния частоты вращения на контактные давления (рисунок 6).

Установлено, что с увеличением частоты вращения соединения средние контактные давления в посадке снижаются вплоть до полной потери НС. Однако, увеличение частоты вращения до определенного предела незначительно влияет на НС соединений с натягом (горизонтальный участок). Из анализа графиков можно сделать вывод, что в условиях вращения соединения с натягом без внешних нагрузок длина сопряжения не оказывает существенного влияния на характер снижения НС. С увеличением натяга сопротивляемость самораспрессовке при нагружении соединения вращением увеличивается. НС соединений с натягом при вращении определяется начальным натягом.

Pк, МПа Pк, МПа 70 1 0 20000 40000 60000 80000 10000 20000 40000 60000 80000 1000w, об./мин.

w, об./мин.

а) б) Рисунок 6 – Зависимость среднего контактного давления в соединении с натягом N = 6мкм от частоты вращения при различных длинах сопряжения (а): 1 – Lc d = 0,5 ; 2 – Lc d = 1; 3 – Lc d = 1,5 и при различных натягах (б): 1 – N = 2мкм, 2 – N = 6мкм Проведено исследование влияния комплексного воздействия изгибающей нагрузки и частоты вращения на НС для соединения с натягом N = 6мкм и длиной сопряжения Lc = 10мм.

До раскрытия стыка НС для данного вида нагружения соединений с натягом предложено оценивать контактными давлениями у торца соединения (рисунок 7), а после раскрытия – фактической площадью контакта стыка (рисунок 8).

Pk_х.т.1, МПа 30 0 2 4 6 8 10 12 М, Нм Рисунок 7 – Зависимость контактного давления у левого торца соединения с натягом N = 6мкм длиной сопряжения от изгибающего момента при различных частотах Lc = 10мм вращения: 1 – w = 2000об / мин w = 20000об / мин w = 40000об / мин ; 2 – ; 3 – При постоянной частоте вращения соединения зависимость контактных давлений у торца соединения с выступающей частью вала от изгибающего момента линейна (рисунок 7).

С увеличением частоты вращения раскрытие стыка соединения с натягом начинается при меньших изгибающих моментах.

Установлено, что нагружение изгибающим моментом и вращением до раскрытия стыка не вызывает значительного изменения НС соединений с натягом. После раскрытия стыка происходит снижение НС, связанное со снижением фактической площади контакта (рисунок 8). С увеличением частоты вращения при постоянном изгибающем моменте снижается фактическая площадь контакта. Так, для рассматриваемого соединения при изгибающем моменте M = 8,75Нм увеличение частоты вращения в 2 раза с w = 20000об / мин до w = 40000об / мин вызывает уменьшение фактической площади контакта в 4 раза с S = 92,31% до S = 22,85%.

Sсц, % 100,00% 80,00% 60,00% 40,00% 20,00% 0,00% 0 10 20 30 40 50 М, Нм Рисунок 8 – Зависимость фактической площади контакта в соединении с натягом N = 6мкм длиной сопряжения от изгибающего момента при различных частотах Lc = 10мм вращения:

1 – w = 2000об / мин – w = 20000об / мин – w = 40000об / мин ; 2 ; С увеличением длины сопряжения НС при постоянной частоте вращения соединений с натягом увеличивается. Таким образом, при определенной длине сопряжения несущая способность всего соединения будет определяться несущей способностью его деталей.

Получены зависимости моментов, вызывающих появление зон микроскольжения и раскрытия стыка, от длины сопряжения при нагружении вращением с частотой w = 20000об / мин (рисунок 9). Установлено, что с увеличением натяга и длины сопряжения НС изгибающим моментом при постоянной частоте вращения соединений с натягом увеличивается.

М, Нм М, Нм 12 10 0 2 4 6 0,5 1 1,N, мкм Lc/d,мм а) б) Рисунок 9 – Изгибающие моменты, соответствующие началу скольжения (1), раскрытия стыка (2) при различных натягах и длине сопряжения Lc =10мм (а) и при различных соотношениях Lc d соединения с натягом N = 6мкм (б) Установлено, что с увеличением изгибающего момента площади зоны скольжения и раскрытия стыка в контакте увеличиваются (рисунок 10). Однако, увеличение изгибающего момента до определенного значения не вызывает появления зон скольжения и раскрытия стыка.

S, м0,000,0000,0000,00007 0,0000,0000,0000,0000,00002 0,0000 5 10 15 20 М, Нм Рисунок 10 – Зависимость площади зоны микроскольжений (1) и раскрытия стыка (2) соединения с натягом N = 6мкм длиной сопряжения Lc = 10мм от изгибающего момента при нагружении вращением с частотой w = 20000об / мин На основании проведенных расчетов предложено описание механизма самораспрессовки соединений с натягом при нагружении изгибающим моментом и вращением. При нагружении вала изгибающим моментом и вращением на контактной поверхности соединения с натягом возникают дополнительные касательные контактные напряжения. В местах их концентрации при превышении значения предельного касательного напряжения = fтр pk возникают участки микроскольжения. С увеличением изгибающего lim момента зона скольжения увеличивается и при определенном изгибающем моменте происходит раскрытие стыка. В результате микроскольжений и раскрытия стыка при нагружении соединения изгибающим моментом и вращением снижается фактическая площадь контакта. Кроме того, в результате различных по направлению осевых напряжений на охватывающей и охватываемой деталях от изгибающего момента вдоль оси вала возникает сила распрессовки. При снижении фактической площади контакта до уровня, при котором возникающая сила распрессовки вызывает относительное смещение деталей соединения, происходит самораспрессовка.

Самораспрессовка соединений с натягом, нагруженных только вращением, может возникать при значительных частотах вращения в результате снижения средних контактных давлений до нуля.

В третьей главе представлены результаты 2-х серий натурных экспериментов, подтверждающих результаты теоретических исследований соединений с натягом. Для экспериментального исследования по разработанным эскизам деталей изготовлено комплектов соединений (рисунок 11).

Сборка соединений производилась гидропрессовым методом со скоростью 120 м/мин, с давлением масла в системе 500 кгс/см2. На вал собранного соединения для передачи изгибающей нагрузки напрессовывался подшипник.

Рисунок 11 – Собранные образцы соединения с натягом для экспериментального исследования Исследования проводились на экспериментальной установке, схема которой представлена на рисунке 12. Основными элементами экспериментальной установки являются: токарный станок с числовым программным управлением ИТ-42, специально разработанное нагружающее-измерительное устройство, измерительный комплекс на базе LTR и силоизмерительного датчика Мерадат К-С-18М-0,1-СЗ, ПК со специализированным ПО для обработки данных в реальном времени. Начало выпрессовки и перемещение вала фиксировалось концевым индикатором движения часового типа «КИ» с ценой деления 0,мм. Частота вращения соединения в ходе эксперимента составляла 2000 об./мин.

Рисунок 12 – Схема экспериментальной установки: 1 – кулачки патрона станка, 2 – втулка, – вал, 4 – подшипник, 5 – индикатор движения часового типа, 6 – нагружающееизмерительное устройство, 7 – резцедержатель станка.

Нагружение изгибающим моментом производилось ступенчато путем увеличения консольной силы. Приращение изгибающей силы на каждом этапе составляло 4,9Н, нагрузка выдерживалась на протяжении 3 секунд.

Явление самораспрессовки при нагружении изгибающим моментом и вращением в первой серии экспериментов подтверждено для соединений с натягами от Nизм = 4мкм до Nизм = 27мкм и длиной сопряжения от Lc = 3,5мм до Lc =10,9мм (таблица 2).

Таблица 2 – Параметры соединений с натягом, распрессованных при нагружении изгибающим моментом и вращением Геометрия втулки № d, мм Nизм, мкм Lc, мм Lв / D соединения 1 10 4 4,3 35/3 10 6 3,5 35/4 10 6 6,3 35/5 10 6 8,3 35/6 10 7 3,34 35/9 10 23 6,0 35/10 10 23 10,9 10/12 10 27 5,9 10/ Выявлено, что на контактных поверхностях вала и втулки после самораспрессовки имеются следы фреттинг-коррозии, многочисленные задиры (рисунок 13). Следы фреттингкоррозии у торцов соединения подтверждают теоретическую модель распространения микроскольжения.

а) б) Рисунок 13 – Фото контактной поверхности после самораспрессовки соединений с натягом втулки (а) и место разрушения вала при нагружении вращением и изгибающим моментом (б) В ходе первой серии экспериментов установлено, что при нагружении изгибающим моментом и вращением возможно усталостное разрушение вала (рисунок 13). Разрушение вала в опасном сечении подтверждает адекватность предложенной модели НДС деталей соединения, рассчитанной МКЭ. Установлено, что количество циклов нагружения не оказывает влияния на начало самораспрессовки. При постоянной частоте вращения самораспрессовка начинается при достижении изгибающим моментом определенного значения независимо от количества испытанных циклов нагружения. Увеличение количества циклов нагружения при постоянном изгибающем моменте ниже значения, соответствующего самораспрессовке, приводит к усталостному разрушению вала Рекомендовано при нагружении соединений с натягом изгибающим моментом и вращением учитывать условие равнопрочности: если изгибающий момент, вызывающий самораспрессовку для установленной длины сопряжения, не превышен, то соединение с натягом работает по критерию усталостной прочности вала. При превышении этой величины начинается самораспрессовка независимо от количества испытанных циклов нагружения.

Во второй серии натурных испытаний экспериментально подтверждена закономерность влияния длины сопряжения на изгибающий момент, приводящий к самораспрессовке.

Таблица 3 – Минимальные изгибающие моменты, приводящие к распрессовке соединений с натягом ср апр М, Нм Мтеор, Нм Расхождение Lc, мм № опыта Мэксп, Нм Мэксп, Нм эксп 5 4,1 4,17 2,07 1,87 10,68% 5 4,6 8,2 9,00 9,58 9,08 5,51% 6 9,9,5 30,3 31,01 34,97 33,18 5,41% 9,5 31,12,6 59,4 59,6 57,15 55,02 3,87% 12,6 59,Линейная аппроксимация экспериментальных данных (таблица 3) выполнена методом наименьших квадратов (рисунок 14).

M, Нм М эксп М теор 2 М апрок 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Lc, мм Рисунок 14 – Экспериментальная (1) и теоретическая (2) зависимость изгибающего момента распрессовки от длины сопряжения соединения с натягом Подтверждена закономерность влияния длины сопряжения на величину изгибающего момента, вызывающего самораспрессовку соединений с натягом. Расхождение результатов, полученных на основе расчета МКЭ, относительно экспериментальных данных составило 411% (таблица 3), что подтверждает адекватность теоретических исследований.

В четвертой главе изложена практическая апробация результатов теоретического исследования. Проведен анализ силового воздействия на соединение термопатрона и концевой фрезы. На основании расчета возникающих при фрезеровании сил резания оценен изгибающий момент, действующий в опасном сечении соединения. На основании значений изгибающего момента и частоты вращения разработаны рекомендации по выбору длины сопряжения исходя из критерия обеспечения НС.

На основании установленного факта снижения контактных давлений при нагружении вращением обоснован новый способ сборки и разборки соединений с натягом на основе создания монтажного зазора центробежными силами. Установлено, что при нагружении соединения вращением детали расширяются в радиальном направлении и сжимаются в осевом. В результате изменения геометрических размеров деталей происходит ослабление натяга = dвт - dв. При достижении разницей изменений диаметров вала и втулки значения первоначального натяга N становится возможной распрессовка без дополнительных усилий.

Теоретически обоснован и экспериментально опробован новый способ разборки соединений с натягом на основе нагружения соединения изгибающим моментом и вращением. Для выбора режимов нагружения при распрессовке изгибающим моментом и вращением рекомендованы «кривые нагружения». Отмечается, что вид кривой зависит от многих параметров, включая натяг, длину сопряжения, посадочный диаметр, коэффициент трения.

Разработаны рекомендации по обеспечению НС соединений с натягом, нагруженных изгибающим моментом и вращением, заключающиеся в ограничении величины изгибающего момента исходя из условия нераскрытия стыка, определении необходимых и достаточных величин натяга и длины сопряжения, обеспечении равнопрочности. Для исключения появления фреттинг-коррозии и повышения усталостной прочности вала рекомендовано исключить появление зон локального скольжения у торца соединения путем ограничения изгибающего момента и подбора соотношения Lc / d.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ 1. Выполнен анализ задачи обеспечения требуемой НС соединений с натягом в условиях вращения и нагружения изгибающим моментом. Решение этой задачи позволит уточнить существующие методики расчета, выявить причинно-следственный механизм потери НС и определить пути обеспечения требуемой НС.

2. В ходе исследования НДС деталей соединения с натягом, нагруженного изгибающим моментом и вращением МКЭ определены характер распределения и значения напряжений в деталях соединения с натягом. Установлено, что при нагружении соединений с натягом изгибающим моментом и вращением происходит значительное перераспределение напряжений – контактные давления увеличиваются на сжатой стороне соединения и уменьшаются на растягиваемой вплоть до раскрытия стыка соединения. Определено наиболее опасное с точки зрения прочности деталей сечение соединения, характеризующееся значительными напряжениями растяжения на валу.

3. Получены закономерности влияния величины изгибающего момента и частоты вращения на НС соединений с натягом. Установлено, что увеличение изгибающего момента при постоянной частоте вращения приводит к самораспрессовке соединений с натягом. Увеличение частоты вращения отрицательно сказывается на НС соединений с натягом: раскрытие стыка начинается при меньших изгибающих моментах, снижается фактическая площадь контакта. С увеличением натяга и длины сопряжения НС соединений с натягом увеличивается. Установлена пропорциональная закономерность влияния длины сопряжения на изгибающий момент, вызывающий самораспрессовку.

4. Предложен механизм снижения НС соединений с натягом при нагружении изгибающим моментом и вращением, происходящий в три этапа: появление зоны скольжения;

раскрытие стыка, рост и перемещение зоны скольжения; уменьшение площади фактической зоны контакта до достаточного для самораспрессовки уровня. Получены закономерности влияния натяга и длины сопряжения на величину моментов, вызывающих появление зон микроскольжения и раскрытия стыка.

5. Подтверждена адекватность теоретических исследований натурными экспериментами на реальных образцах деталей соединения. Экспериментально подтверждена пропорциональная закономерность влияния длины сопряжения на изгибающий момент, приводящий к самораспрессовке. Расхождение значений, полученных на основе расчета МКЭ, относительно экспериментальных данных составило 4-11%, что указывает на приемлемую точность проведенных теоретических исследований.

6. Разработаны рекомендации по проектированию и эксплуатации соединений с натягом, работающих при изгибающих нагрузках с вращением. Для обеспечения НС соединений рекомендовано увеличение натяга или длины сопряжения в зависимости от физикомеханических свойств материала деталей и выбранного метода сборки. Максимальную длину сопряжения рекомендовано ограничивать исходя из условия обеспечения равнопрочности соединения с натягом.

7. Теоретически обоснован и экспериментально опробован новый способ разборки соединений с натягом при приложении изгибающего момента с вращением. Также обоснован новый способ сборки и разборки соединений с натягом на основе создания монтажного зазора центробежными силами, возникающими при вращении.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК 1. Абрамов И. В., Абрамов А. И., Синицын А. Н., Синицына В. В. Напряженнодеформированное состояние деталей соединения с натягом под действием изгибающего момента. // Вестник машиностроения, 2010г. №8, С.18-21. ISSN 00424633.

2. Абрамов И. В., Абрамов А. И., Синицын А. Н., Синицына В. В. Теоретическое обоснование новых способов сборки и разборки соединений с натягом. // Сборка в машиностроении и приборостроении, 2011г. №3, С.11-15. ISSN 0202-3350.

3. Абрамов И. В., Абрамов А. И., Синицын А. Н., Синицына В. В. Экспериментальное исследование НС соединений с натягом при нагружении изгибающим моментом и вращением // Вестник Ижевского государственного технического университета, 2012г.

№2, С.25-26. ISSN 1813-79Публикации в прочих изданиях 4. Абрамов И. В., Синицына В. В. Влияние частоты вращения на несущую способность соединений с натягом. // Материалы третьей научно-исследовательской конференции студентов, магистрантов и аспирантов факультета «Управление качеством» ИжГТУ – Ижевск: изд-во ИжГТУ, 2010. – с.209-212. ISBN 978-5-7526-0455-3.

5. I. V. Abramov, A. I. Abramov, A. N. Sinitsyn, and V. V. Sinitsyna. Bending moment and rotating frequency influence on interference fit bearing capacity. // University Review, 2011, Vol. 5, №1, P. 24-28. ISSN 1337-6047.

6. I. V. Abramov, A. I. Abramov, A. N. Sinitsyn, V. V. Sinitsyna and A.V. Petrov.

Experimental plant for interference fit disassembling. // MECHATRONIKA, 2011 14th International Symposium, 2011. P. - 90 – 92. ISBN 978-1-61284-821-7. Синицын А. Н., Синицына В. В., Петров А. В. Установка для разборки соединений с натягом. // [Электронный ресурс], Сборник инновационных проектов. – ФГБОУ ВПО "Ижевский Государственный Технический Университет", Ноябрь-Декабрь 2011. - электрон. Опт. Диск (CD-ROM)






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.