автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.02, диссертация на тему:Исследование и обеспечение нагрузочной способности соединений с натягом под действием изгибающего момента и вращения

На правах рукописи

Синицына Василя Василевна

ИССЛЕДОВАНИЕ И ОБЕСПЕЧЕНИЕ НАГРУЗОЧНОЙ СПОСОБНОСТИ СОЕДИНЕНИИ 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

2 2 1Ш 2012

Ижевск - 2012

005046067

Работа выполнена на кафедре «Мехатронные системы» ФГБОУ ВПО «ИжГТУ имеї. 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 электроиздел: XXI века»

Защита диссертации состоится «03» июля 2012 г., в 10:00 часов, на заседай;

диссертационного совета Д 212.065.01 в ФГБОУ ВПО «ИжГТУ имени М.Т. Калашникова»

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

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенных гербовой печатью, проа направлять по адресу: 426069, Россия, г. Ижевск, ул. Студенческая, 7, ФГБОУ ВПО «ИжП имени М.Т. Калашникова» на имя учёного секретаря диссертационного совета, факс: 8 (341 58-88-57,

Автореферат разослан «01» июня 2012 г.

Учёный секретарь диссертационного совета

адресу: 426069, Россия, г. Ижевск, ул. Студенческая, 7.

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

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 ■атягом, нагруженные изгибом и вращением. Предметом исследования являются модели

влечет за собой техногенные явления и экономические потери.

напряженно-деформированного состояния деталей соединений с натягом.

Методы исследования. Теоретическое исследование и вычислительные эксперимен базируются на известных положениях механики твердого деформируемого тела, мете конечных элементов (МКЭ). При обработке данных экспериментальных исследован соединений с натягом использовались методы математической статистики. Достоверность и обоснованность результатов.

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

Обоснованность результатов подтверждается экспериментальной проверк теоретических исследований, сходимостью полученных теоретических результатов данными эксперимента, воспроизводимостью экспериментальных исследоваш сопоставлением промежуточных результатов расчетов с результатами аналитическ] расчетов, с опытными данными других авторов, а также апробацией полученных результат в производственных условиях. Научная новизна:

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

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

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

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

На защиту выносятся: 1. Модели НДС и контактного взаимодействия деталей соединений с натяго» нагруженных изгибающим моментом с вращением.

2. Описание механизма потери НС соединений с натягом при нагруженин 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 гроектировании редукторов специального применения. Применение соединений с натягом с 'четом разработанных рекомендаций вместо используемых шпоночных консольно-1агруженных соединений шкивов, барабанов, звездочек и выходного вала позволяет снизить материалоемкость и трудозатраты при производстве редукторов. Результаты исследования (спользуются в учебно-образовательном процессе кафедры «Управление качеством» ИжГТУ ш. М.Т. Калашникова при выполнении курсовых и дипломных проектов по курсу «Детали машин». Использование ЗБ модели деталей соединения и МКЭ при проектировании :оединений седла и корпуса клиновых задвижек, применяемых на атомных станциях, юзволило уточнить величину натяга и минимальную ширину седла и, как следствие, /меньшить расход твердого сплава.

Апробация работы. Основные научные положения и практические результаты щссертационной работы докладывались и обсуждались на научных конференциях: на тьей научно-исследовательской конференции студентов, магистрантов и аспирантов

5

факультета «Управление качеством» ИжГТУ, г. Ижевск, 2010; на 14-м международ симпозиуме «Мехатроника», Тренчанске Теплице, Словакия, 2011г.; на XII выставке-cecci инновационных проектов в рамках республиканского форума студентов, магистрантс аспирантов и молодых ученых вузов, г. Ижевск, ИжГТУ, 2011.

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

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

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

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

В первой главе проведен анализ современного состояния теории и практик соединений с натягом. Рассмотрены конструктивные схемы соединений с натяго» нагруженных изгибающим моментом с вращением, и особенности их работы. На ochoe анализа методов расчета НДС и НС соединений с натягом, нагруженных изгибающи моментом и вращением, выделены их основные ограничения. Проведен анализ проблем] снижения НС. .

Значительный вклад в теорию и технологию соединений с натягом внесли работ) отечественных ученых Г.Я. Андреева, Е.И. Берникера, A.A. Ильяшенко, Б.Ф. Федорова, И.Е Абрамова, A.B. Щенятского, B.C. Клековкина, Ю.В. Турыгина, Г.А. Бобровникова, Е.<1 Бежелуковой, И.И. Воячек, Н.С. Сивцева и др.

Анализ конструктивных схем соединений с натягом, нагруженных изгибающш моментом и вращением, показал, что данный вид нагружения соединений широк распространен в машиностроении. Однако, в процессе эксплуатации соединений с натягом испытывающих подобный вид нагружения, отмечается снижение НС соединений, вплоть Д1 самораспрессовки. Проблеме снижения НС посвящено большое количество рабо1 отечественных и зарубежных ученых - A.C. Иванова, Е.Ф. Бежелуковой, Н.Е. Курносова Alfredsson, Madia, Urriolagoitia и др. Случаи самораспрессовки соединений с натягои описаны в работах Л.Т. Балацкого, Е.И. Берникера, И.С. Гречищева, И.В. Кудрявцева.

В результате аналитического обзора установлено, что применяемые в инженерно! практике методы определения НДС и НС соединений с натягом под действием изгибающей

6

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 н- = ШОоб/мин, и могут не соответствовать современным условиям эксплуатации соединений с натягом, когда частоты вращения шпинделей достигают w = ШОООоб / 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 вращений 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 0,1x0,5x0,7мм у поверхности контакта до 0,3x1,2x1,8мм у наружной поверхности втулки. Для моделирования

контактного взаимодействия используем специальные 8-ми узловые контактные элем, размером 0,7x0,5 мм, располагающихся на поверхности объемных.

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

Напряженное состояние контактного элемента описываем вектором с тре координатами

(й *2}, 1 где рк - напряжение в нормальном направлении к плоскости контакта, т, и т2 касательн напряжения, действующие в плоскости контакта.

Контактное давление рк для каждого элемента вычисляем следующим образом:

рк = 0 при и„ > 0 I

р4 = К „и, при им ¿0

где К„ - нормальная контактная жесткость, «„ - зазор (величина обратная натяг Нормальная контактная жесткость зависит от свойств материала, размеров элементов.

Касательные напряжения определяются на основе закона трения Кулона:

=т;-' если |Н|<т|1т

если "г"=Т|1т {

где т^4 - касательное напряжение в направлении ] в конце предыдущего шага, к5 касательная контактная жесткость, Диу - приращение перемещения в направлении j текущем шаге, ¡Ди| - эквивалентное приращение перемещения, fщ: - коэффициент трен1' Цт|| - эквивалентное касательное напряжение, *,т=/трР1 - предельное касательн напряжение.

Эквивалентные касательные напряжения, возникающие в контактных элемент соединений с натягом, определяются соотношением

(

При моделировании соединения с натягом, нагруженного изгибающим моментом вращением, для описания состояния контакта используем три статуса: сцеплени скольжение и раскрытие стыка. На основании базовой модели трения Кулона состоят «скольжение» присваивается контактному элементу при превышении силы трения покоя тп Если эквивалентные касательные напряжения не превышают предельных значений, то так< состояние определяется как «сцепление». Состояние «раскрытие стыка» присваивается щ

положительной величине зазора. Таким образом, условия для определения состояния контакта можно записать в следующем виде:

|}т II £ т ¡„ - сцепление ,

М1>ТЬП —скольжение , (5)

ип >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)

S5

1.5-15' и

&/////Л

--- ■V ---

- 100 Ш

U5' \ »4?

б)

Ризг

шт

Lone.

\У

Lc

В)

\У

/

\у

vP) <z

Fmг

шт

mm

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 <1 = \0мм, наружным диаметром охватывающей детали с!г =30лм(,

длиной вала ¿ = 100лш. Величина натяга и длины сопряжения варьировались в пределах

N = 2...6мкм и Ьс = 5... 15лш соответственно. Материал обеих деталей - сталь 45, для которой

модуль упругости £ = 2 ■ 10" Па, коэффициент Пуассона ц = 0,3, плотность р = 7826 кг/м! .

Предел текучести и предел прочности для вала аТ =650МПа и о, = 900 МПа , для втулки

9

<т= 450 МПа и о е = 750 МЛ а . Коэффициент трения в контактной паре принят /„„ =0,15. С целью снижения концентрации контактных давлений под торцами охватывающей деталей £ соединении, на валу принята фаска 1x45°, на втулке - 1,5x15° .

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 перераспределеню. • напряжений, а вращение к уменьшению контактных давлений. Одновременное воздействие этих факторов увеличивает площадь раскрытия стыка и уменьшает средние контактны давления. Напряжения в деталях рассмотренного соединения с натягом, возникающие пр нагружении изгибающим моментом и вращением, не превышают пределы текучести материалов. Наиболее опасными являются напряжения растяжения, возникающие на валу с области торца соединения.

НДС деталей соединения рассматривается в продольном сечении, соответствующе; -плоскости приложения изгибающей силы. Анализ НДС деталей соединения с натягом N = бмкм и длиной сопряжения 1С =10мм, нагруженного изгибающим моментом в опасно!* сечении М — 11,5Нм и вращением н> = 20000 об!мин показал, что наибольшие тангенциальные напряжения охватываемой и охватывающей деталей наблюдаются у поверхности контакта (рисунок 3, а). У охватывающей детали напряжения уменьшаются о-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 напряженю от 10 МПа до -100 МПа с концентрацией до -194 МПа на стороне сжатия ниже и выше оси симметрии.

а)

б)

Рисунок 3 — Поля напряжений в деталях соединения при нагружении изгибающим моментом и вращением, Па: а) тангенциальные, б) радиальные, в) осевые, г) интенсивность

напряжений

»'"Ч^Т'"...........¡Ш.Н, —1—

-.ЗС0Е+09 .ВДОЕНИ • 120Е*06 200Е'Ю

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

11

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 ИПа 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.

а>

Рисунок 4 - Контактные давления в соединении. Па (а) и состояние контакта гірк 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).

12 Iі

Таблица 1 - Значения средних по поверхности контактных давлений и доли площадей, соответствующих состоянию контакта «сцепление», «скольжение», «раскрытие стыка» при различных режимах нагружения

Характеристики Вид контакта нагружения Контактные давления рк ,МПа Доля площади «сцепления» Доля площади «скольжения» Доля площади «раскрытия стыка» ,%

Без нагрузки 56,83 100 0 0

Изгиб, М = 22,%Нм и-=о 56,84 87,54 10,02 2,43

Вращение, н>=20000>б/лшн 53,86 100 0 0

Изгиб и вращение, М = 22,«Нм »>=20000)б/мин 54,2 74,34 20,28 5,38

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.

рк, МПа 450 400 350 300 250 200 150 100 50 ■ О ■

1 ! ¡

і I :

3 i

1 i

M i4

і ■ ¿ ¡ І 'я — —

i Í

20

40

60 М, 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 давл«. в посадке снижаются вплоть до полной потери НС. Однако, увеличение частоты вращения } определенного предела незначительно влияет на НС соединений с натягом (горизонтальнь участок). Из анализа графиков можно сделать вывод, что в условиях вращения соединения натягом без внешних нагрузок длина сопряжения не оказывает существенного влияния 1 характер снижения НС. С увеличением натяга сопротивляемость самораспрессовке п{ нагружении соединения вращением увеличивается. НС соединений с натягом при вращен! определяется начальным натягом.

Рк, МПа

70 60 50 40 30 20 10 0

1 I і ]

— . Л 1 V І

Ї ч

1

— 3

і

1 1 *

20000 40000 60000 80000 100000 обЛшн.

Рк, МПа Є0 50 40 30 20 10 0

— ;

ч

ч

Ч

1 ч

I ч!

20000 40000 60000 80000 100000 обУмин.

а) б)

Рисунок 6 — Зависимость среднего контактного давления в соединении с натягом N = 6мкм от частоты вращения при различных длинах сопряжения (а): 1 - Ц. ¡сі - 0,5 ; 2 - Ьс /с/ = 1; 3 -4/г/ = 1>5 и при различных натягах (б): І — N = 2 мкм , 2 - N = бмкм

Проведено исследование влияния комплексного воздействия изгибающей нагрузки частоты вращения на НС для соединения с натягом N = бмкм и длиной сопряжения 4 = Ю.ш До раскрытия стыка НС для данного вида нагружения соединений с натягом предложен оценивать контактными давлениями у торца соединения (рисунок 7), а после раскрытия фактической площадью контакта стыка (рисунок 8).

Рк_х.т.1,МПа 90

80 70 60 50 40 30 20 10 0

\ і

1 -

Г—-».

1 * ^1

! -- -

\ 1

10

12 14

М.Нм

Рисунок 7 — Зависимость контактного давления у левого торца соединения с натягом N = бмкм длиной сопряжения = ю мм от изгибающего момента при различных частотах

вращения: 1 -№ = 2000об Iмин ; 2 - и-= 20000об Iмин ; 3 — = 40000об / мин

14

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 М =8,75 Мм увеличение частоты вращения в 2 раза с IV = 20000об I мин до IV = 40000 об / мин вызывает уменьшение фактической площади контакта в 4 раза с 5 = 92,31 % до 5 = 22,85% .

Эсц, •/.

100,00% -80,00% -бо,оо%

40,00% 20,00% 0,00%

О 10 20 30 40 50 60

М, Им

Рисунок 8 - Зависимость фактической площади контакта в соединении с натягом N = бмкм длиной сопряжения =10 мм от изгибающего момента при различных частотах

вращения:

1 - \у = 2Шоб! мин ;2 - IV = 20000 об/мин ; 3 - № = 40000 об/мин

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 н> = ЮООСЬб/ 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

2 4 6 0,5 1 1.5

N. мкм Ьс/і,мм

а) б)

Рисунок 9 - Изгибающие моменты, соответствующие началу скольжения (1), раскрытия стыка (2) при различных натягах и длине сопряжения Ьс = 10мм (а) и при различных соотношениях Ьс/с1 соединения с натягом N = бмкм (б)

Установлено, что с увеличением изгибающего момента площади зоны скольжения раскрытия стыка в контакте увеличиваются (рисунок 10). Однако, увеличение изгибающе: момента до определенного значения не вызывает появления зон скольжения и раскрыт! стыка.

Б. м1 0,0001 0,00009 0,00008 0,00007

о.ооооб

0,00005 0,00004 0,00003 0,00002 0,00001 о

4-

/1 —

10

15

20 25 М, Нм

Рисунок 10 - Зависимость площади зоны микроскольжений (1) и раскрытия стыка (2) соединения с натягом N = бмкм длиной сопряжения Ьс = Юлш от изгибающего момента пр нагружении вращением с частотой м> - 20000об / мин

На основании проведенных расчетов предложено описание механизл самораспрессовки соединений с натягом при нагружении изгибающим моментом вращением. При нагружении вала изгибающим моментом и вращением на контактнс поверхности соединения с натягом возникают дополнительные касательные контактнь напряжения. В местах их концентрации при превышении значения предельного касательно! напряжения тИт = /тррк возникают участки микроскольжения. С увеличением изгибающе!

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 самораепрессовка.

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 20 комплектов соединений (рисунок 1 1).

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 экспериментально:" 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 [,ТК и силоизмерительного датчика Мерадат К-С-18М-0,1-СЗ, ПК со специализированным

ПО для обработки данных в реальном времени. Начало выпрессовки и перемещение фиксировалось концевым индикатором движения часового типа «КИ» с ценой деления 0,0! мм. Частота вращения соединения в ходе эксперимента составляла 2000 об./мин.

12 3 У\ і

Рисунок 12 - Схема экспериментальной установки: 1 - кулачки патрона станка, 2 - втулка, 3 - вал, 4 - подшипник, 5 - индикатор движения часового типа, 6 - нагружающее-измерительное устройство, 7 - резцедержатель станка.

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

Явление самораспрессовки при нагружении изгибающим моментом и вращением I первой серии экспериментов подтверждено для соединений с натягами от = 4мюм д = 21мкм и длиной сопряжения от 4 =3,5мм до 4 = 10,9лш (таблица 2).

Таблица 2 - Параметры соединений с натягом, распрессованных при нагружении изгибающи: моментом и вращением

№ соединения СІ,ММ Ьс,мм Геометрия втулки ь.т

1 10 4 4,3 35/30

3 10 6 3,5 35/30

4 10 6 6,3 35/30

5 10 6 8,3 35/30

6 10 7 3,34 35/30

9 10 23 6,0 35/30

10 10 23 10,9 10/25

12 10 27 5,9 10/25

Выявлено, что на контактных поверхностях вала и втулки после самораспрессовки имеются следы фреттинг-коррозии, многочисленные задиры (рисунок 13). Следы фретгинг-коррозии 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 замораспрессовку для установленной длины сопряжения, не превышен, то соединение с ■(атягом 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

№ опыта , мм М ,Нм зксп ЛС„Ям АС,Яд« М^Нм Расхождение

1 5 4,33 4,17 2,07 1,87 10,68%

5 4,01

• 2 6 8,62 9,00 9,58 • 9,08 5,51%

6 9,38

3 9,5 30,98 31,01 34,97 33,18 5,41%

9,5 31,05

4 12,6 59,39 59,6 57,15 55,02 3,87%

12,6 59,80

Линейная аппроксимация экспериментальных данных (таблица 3) выполнена методо» наименьших квадратов (рисунок 14).

Рисунок 14 -Экспериментальная (1) и теоретическая (2) зависимость изгибающего момента распрессовки от длины сопряжения соединения с натягом

Подтверждена закономерность влияния длины сопряжения на величину изгибающел момента, вызывающего самораспрессовку соединений с натягом. Расхождение результатов полученных на основе расчета МКЭ, относительно экспериментальных данных составило 4 11% (таблица 3), что подтверждает адекватность теоретических исследований.

В четвертой главе изложена практическая апробация результатов теоретической исследования. Проведен анализ силового воздействия на соединение термопатрона 1 концевой фрезы. На основании расчета возникающих при фрезеровании сил резания оцене1 изгибающий момент, действующий в опасном сечении соединения. На основании значенш изгибающего момента и частоты вращения разработаны рекомендации по выбору длинь сопряжения исходя из критерия обеспечения НС.

На основании установленного факта снижения контактных давлений при нагруженш вращением обоснован новый способ сборки и разборки соединений с натягом на основ'

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 Д5 = . При достижении разницей изменений диаметров вала и втулки Д8

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 фреггинг-коррозии и повышения усталостной прочности вала рекомендовано исключить появление зон локального скольжения у торца соединения путем ограничения изгибающего момента и подбора соотношения £г/</.

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 час вращения на НС соединений с натягом. Установлено, что увеличение изгибающе: момента при постоянной частоте вращения приводит к самораспрессовке соединений натягом. Увеличение частоты вращения отрицательно сказывается на НС соединений натягом: раскрытие стыка начинается при меньших изгибающих моментах, снижает фактическая площадь контакта. С увеличением натяга и длины сопряжения Н соединений с натягом увеличивается. Установлена пропорциональная закономерное влияния длины сопряжения на изгибающий момент, вызывающий самораспрессовку.

4. Предложен механизм снижения НС соединений с натягом при нагружении изгибающи моментом и вращением, происходящий в три этапа: появление зоны скольжени раскрытие стыка, рост и перемещение зоны скольжения; уменьшение площа; фактической зоны контакта до достаточного для самораспрессовки уровня. Получен закономерности влияния натяга и длины сопряжения на величину моменте вызывающих появление зон микроскольжения и раскрытия стыка.

5. Подтверждена адекватность теоретических исследований натурными эксперимента»! на реальных образцах деталей соединения. Экспериментально подтвержде! пропорциональная закономерность влияния длины сопряжения на изгибающий момен приводящий к самораспрессовке. Расхождение значений, полученных на основе расче-МКЭ, относительно экспериментальных данных составило 4-11%, что указывает I приемлемую точность проведенных теоретических исследований.

6. Разработаны рекомендации по проектированию и эксплуатации соединений с натяго) работающих при изгибающих нагрузках с вращением. Для обеспечения НС соединена рекомендовано увеличение натяга или длины сопряжения в зависимости от физик! механических свойств материала деталей и выбранного метода сборки. Максимальну длину сопряжения рекомендовано ограничивать исходя из условия обеспечен равнопрочности соединения с натягом.

7. Теоретически обоснован и экспериментально опробован новый способ разборк соединений с натягом при приложении изгибающего момента с вращением. Так» обоснован новый способ сборки и разборки соединений с натягом на основе создани 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. Напряжение

деформированное состояние деталей соединения с натягом под действи'

22

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 1813-7903

Публикации 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, А. 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 978-1-61284-821-1

7. Синицын A. H., Синицына В. В., Петров А. В. Установка для разборки сосдйисшш с натягом. // [Электронный ресурс], Сборник инновационных проектов. - ФГБОУ B1IO "Ижевский Государственный Технический Университет", Ноябрь-Декабрь 2011. - 1 электрон. Опт. Диск (CD-ROM)

В авторской редакции

Подписано в печать 25. 05.12. Усл. печ. л. 1,4. Заказ № 177. Тираж 100 экз. Издательство Ижевского государственного технического университета имени М. Т. Калашникова Отпечатано в типографии Издательства ИжГТУ. 426069, Ижевск, Студенческая, 7

ВВЕДЕНИЕ

1. Анализ современного состояния теории и практики соединений с натягом, нагруженных изгибающим моментом

1.1. Анализ схем нагружения соединений с натягом, работающих при воздействии изгибающих моментов и вращения

1.2.Методы анализа НДС деталей соединений с натягом, нагруженных изгибающим моментом и вращением

1.2.1. Анализ НДС деталей соединений с натягом, нагруженных изгибающим моментом и вращением, на основе аналитических зависимостей

1.2.2. Определение НДС деталей соединений с натягом под действием изгибающего момента методом суперпозиции

1.3 .Методики оценки предельной НС соединений с натягом при нагружении изгибающим моментом и вращением

1.3.1. Определение предельной НС соединений с натягом, нагруженных изгибающим моментом и вращением, по критерию раскрытия стыка

1.3.2. Определение предельной НС соединений с натягом, нагруженных изгибающим моментом и вращением на основе аналитических зависимостей

1.3.3. Определение предельной НС соединений с натягом, нагруженных изгибающим моментом и вращением, по эмпирической зависимости на основе экспериментальных данных

1.4.Анализ проблемы потери НС соединений с натягом при нагружении изгибающим моментом и вращением

1.5.Выводы и постановка задач исследования

2. Теоретическое исследование и численное моделирование соединений с натягом, нагруженных изгибающим моментом с вращением

2.1. Методика моделирования соединений с натягом, нагруженных изгибающим моментом и вращением на основе МКЭ

2.1.1. Конечно-элементная постановка задачи исследования соединений с натягом нагруженных изгибающим моментом и вращением

2.1.2. Выбор геометрических характеристик расчетной модели соединения с натягом

2.1.3. Порядок проведения теоретических исследований

2.2. Исследование влияния изгибающей нагрузки и частоты вращения на НДС деталей соединения с натягом

2.2.1. Распределение напряжений в деталях соединения с натягом без внешней нагрузки

2.2.2. Распределение напряжений в деталях соединения с натягом при нагружении вала изгибающим моментом

2.2.3. Распределение напряжений в деталях соединения с натягом при нагружении вращением

2.2.4. Распределение напряжений в деталях соединения при комплексном воздействии изгибающего момента и вращения

2.3. Исследование влияния изгибающей нагрузки и частоты вращения на НС соединений с натягом

2.3.1. Исследование влияния изгибающего момента на НС соединений с натягом

2.3.2. Исследование влияния частоты вращения на НС соединений с натягом

2.3.3. Исследование влияния частоты вращения и изгибающей нагрузки на НС соединений с натягом

2.4. Механизм снижения НС (самораспрессовки) соединений с натягом при нагружении изгибающим моментом и вращением

2.4.1. Исследование скольжения в контакте

2.4.2. Механизм возникновения силы распрессовки в соединениях с натягом, нагруженных изгибающим моментом и вращением

2.4.3. Механизм самораспрессовки

Выводы

3. Экспериментальное исследование НС соединений с натягом, нагруженных изгибающим моментом и вращением

3.1. Методика проведения эксперимента

3.1.1. Выбор геометрии деталей соединения

3.1.2. Выбор варьируемых факторов

3.2. Подготовка и выполнение эксперимента

3.2.1. Сборка соединений с натягом

3.2.2. Описание экспериментальной установки

3.2.3. Порядок проведения эксперимента

3.3. Обработка и анализ результатов эксперимента

3.3.1. Анализ результатов первой серии экспериментов

3.3.2. Анализ и обработка результатов второй серии экспериментов

Выводы

4. Практическое применение результатов исследования

4.1. Применение результатов исследования для термопатронов

4.2. Метод сборки и разборки соединений с натягом на основе создания монтажного зазора с применением центробежных сил при вращении

4.3. Метод разборки соединений с натягом на основе приложения изгибающего момента с вращением

4.4. Разработка рекомендаций по проектированию и эксплуатации соединений с натягом, нагруженных изгибающим моментом и вращением

Выводы

ЗАКЛЮЧЕНЕ

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 вращающихся соединений с натягом нагруженных 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.

Теоретическое исследование соединений с натягом при упругих деформациях было проведено Ляме более ста пятидесяти лет назад. В этой же области имеются и более поздние работы академика A.B. Гадолина. Широкомасштабные и систематические исследования соединений с натягом начались с середины 50-х годов ХХ-го века.

Значительный вклад в теорию и технологию соединений с натягом внесли работы отечественных ученых Г.Я. Андреева, Б.Ф. Федорова, И.В. Абрамова, A.B. Щенятского, B.C. Клековкина, Ю.В. Турыгина, Г.А. Бобровникова, и др.

Проблеме снижения НС посвящено большое количество работ отечественных и зарубежных ученых. Исследованиями в этой области 6 занимались A.C. Иванов, Е.Ф. Бежелукова, Н.Е. Курносов и др. Случаи самораспрессовки соединений с натягом описаны в работах JI.T. Балацкого, Е.И. Берникера, И.С. Гречищева, И.В. Кудрявцева.

В настоящее время, на территории бывшего СССР, исследования по тематике соединений с натягом наиболее активно ведутся в технических университетах Ижевска, Пензы, Москвы, Томска, Барнаула, Харькова, Киева. За последние 30 лет, коллективом ученых Ижевского государственного технического университета под руководством профессора И.В. Абрамова исследованы вопросы технологии, повышения прочности и НС, математического моделирования, разработаны методики расчета автофретированных, гидропрессовых, многослойных соединений с натягом.

Несмотря на широкое распространение соединений с натягом существуют малоизученные проблемы, ограничивающие их применение. Одной из таких проблем является проблема обеспечения НС соединений с натягом при нагружении изгибающим моментом с вращением. Анализ конструктивных схем соединений с натягом, нагруженных изгибающим моментом и вращением, показал, что данный вид нагружения соединений широко распространен в машиностроении. Однако, при эксплуатации соединений с натягом, испытывающих подобный вид нагружения, возможны явления самораспрессовки соединения или разрушение охватываемой детали.

Используемые в инженерной практике методики определения наибольших напряжений, возникающих в деталях соединения с натягом, нагруженного изгибающим моментом и вращением, являются приближенными, так как не учитывают влияние центробежных сил, возникающих при вращении, и перераспределения контактных давлений. Зависимости Ляме не учитывают явление концентрации контактных давлений у торцов соединения. Отсутствуют работы, описывающие НДС деталей соединении при нагружении изгибом.

В результате аналитического обзора установлено, что применяемые в инженерной практике методы оценки НС соединения с натягом под действием изгибающей нагрузки и вращения являются приближенными, так как не 7 учитывают характер комплексного силового воздействия на соединения, включая центробежные силы. Аналитические расчеты не всегда обеспечивают работоспособность соединения, так как не учитывают переменный характер нагружения изгибающим моментом, неравномерное распределение контактного давления из-за циклических изгибающих нагрузок. Экспериментальные зависимости для определения НС получены при частотах вращения до ^ = 1600об ¡мин, и могут не соответствовать современным условиям эксплуатации соединений с натягом, когда частоты вращения, например шпинделей металлорежущих станков, достигают м^ 100000об I мин.

Анализ проблемы потери НС соединений с натягом при нагружении изгибающим моментом и вращением показал ее актуальность и малоизученность. 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, распределение зон микроскольжения по поверхности сопряжения, влияние длины сопряжения, натяга на площадь зоны скольжения.

Таким образом, для решения задачи обеспечения НС соединений с натягом, нагруженных изгибающим моментом с вращением необходимо проведение дополнительных исследований. Современные приложения метода конечных элементов (МКЭ) для решения объемных (ЗБ) и контактных задач создают благоприятную основу для моделирования НДС деталей соединений с натягом при нагружении изгибающим моментом с вращением.

Целью диссертационной работы является обеспечение требуемой нагрузочной способности соединений с натягом в условиях вращения и нагружения изгибающим моментом.

Диссертационная работа направлена на повышение надежности функционирования оборудования, имеющего в составе соединения с натягом, за счет исключения явления самораспрессовки соединений, нагруженных изгибающим моментом и вращением.

Научная новизна диссертационного исследования состоит в решении контактной задачи соединения с натягом, нагруженного изгибающим моментом и вращением.

Необходимо проведение теоретических исследований и вычислительных экспериментов для объемных контактных задач механики деформируемого твердого тела при упругом состоянии материалов деталей соединения.

Теоретическое исследование и вычислительные эксперименты базируются на известных положениях механики твердого деформируемого твердого тела, методе конечных элементов (МКЭ), теории малых упругопластических деформаций, технологии машиностроения и математического моделирования. Экспериментальное исследование проводится на экспериментальной установке с измерительной аппаратурой. На всех этапах вычислительного и натурного эксперимента используются математические методы обработки результатов, анализа полученных зависимостей.

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

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 физико-механических 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.

1. Абрамов И.В. Исследование и совершенствование гидропрессового метода сборки соединений с натягом: Автореф. . канд. техн. наук. Пермь, 1970. -20с.

2. Абрамов И.В., Абрамов А.И., Синицын А.Н., Синицына В.В. Напряженно-деформированное состояние деталей соединения с натягом под действием изгибающего момента. // Вестник машиностроения, 2010г. №8, С. 18-21. ISSN 00424633.

3. 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.

4. Абрамов И.В., Фаттиев Ф.Ф. и др. Высоконапряженные соединения с гарантированным натягом. Ижевск: Изд-во ИжГТУ, 2002. - 300с. ISBN 57526-0114-2.

5. Абрамов И.В., Федоров Б.Ф. Дифференциальный способ создания масляной прослойки при гидропрессовой сборке деталей с натягом. -Ижевск, 1969г.

6. Аврутин C.B. Фрезерное дело. Учебник для городских профессионально-технических училищ. Издание пятое, переработанное и дополненное. М.: Профтехиздат, 1963, 542 с. с ил.

7. Ю.Алямовский A.A. SolidWorks/COSMOS Works. Инженерный анализ методом конечных элементов. М.: ДМК Пресс, 2004. 432с. ISBN 5-94074218-1.

8. П.Анурьев В.И. Справочник конструктора-машиностроителя: В 3 т. Т. 1. 9-е изд., перераб. и доп./ под ред. И.Н. Жестковой. - М.: Машиностроение, 2006. - 928 с. ISBN 5-217-03343-6 (Т. 1)

9. Анухин В.И. Допуски и посадки. Учебное пособие. 4-е изд. СПб.: Питер, 2008. - 207 е.: ил. ISBN 978-5-91180-331-5

10. Балацкий JI.T. Прочность прессовых соединений. Киев: Техника, 1982. -151с.

11. Басов К.А. ANSYS в примерах и задачах / Под общ. ред. Д.Г. Красковского. М.: Компьютер Пресс, 2002. - 224с. ISBN 5-89959-092-0

12. Басов К.А. ANSYS: Справочник пользователя. М.: ДМК Пресс, 2005. -640 е., ил. ISBN 5-94074-108-8.

13. Басов К.А. Графический интерфейс комплекса ANSYS. M. ДМК Пресс, 2006. - 248 с. ил. ISBN 5-94074-074-Х.

14. Барабанов А.Б. Повышение производительности обработки на основе совершенствования вспомогательного инструмента для закрепления концевых фрез способом термических деформаций: Автореф. канд. техн. наук: Москва, 2009. - 18с.

15. Батрак А.П. Планирование и организация эксперимента. Учебное пособие. Красноярск: ИПЦ СФУ, 2007. -60 с.

16. Берникер Е.И. Посадки с натягом в машиностроении. Л., Машиностроение, 1966.- 167с.

17. Берникер Е.И. О расчете посадок с натягом при одновременном действии крутящего и изгибающего моментов. // Вестн. Машиностроения. 1968. -№8 - С.36-37

18. Боярский М.В. Планирование и организация эксперимента. Учебное пособие. Йошкар-Ола: МарГТУ, 2007.-144с.

19. Вайнберг A.M. Математическое моделирование процессов переноса. Решение нелинейных краевых задач. Москва-Иерусалим, 2009 - 209с.

20. Васильков Ю.В., Василькова H.H. Компьютерные технологии вычислений в математическом моделировании: Учеб. Пособие. М.: Финансы и статистика, 2002.-256 е.: ил. ISBN 5-279-02098-2.

21. Вершинский C.B. и др. Расчет вагонов на прочность. Изд 2-е, под ред. JI.A. Шадура, М, «Машиностроение», 1971, стр. 432.

22. Гайдышев И. Анализ и обработка данных: специальный справочник СПб: Питер, 2001. - 752 е.: ил.

23. Газизов Х.Ш., Кузьминых A.A. Расчет соединений с натягом методом конечных элементов // Изв. Вузов. Машиностроение. 1994. № 7-9. С. 58-61.

24. Германов A.B. «JI-Кард». Крейтовая система LTR. Руководство пользователя. // Электронный ресурс. Москва. Март 2012. Опт. Диск (CD ROM), http://www.lcard.ru

25. Горшков А.Г., Трошин В.Н., Шалашилин В.И. Сопротивление материалов: Учеб. пособие. 2-е изд., испр. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2008. - 544с. ISBN 978-5-9221-0181-3.

26. Гречищев И.С., Ильяшенко A.A. Соединения с натягом: Расчеты, проектирование, изготовление. М.: Машиностроение, 1981. -247с.

27. Григорьева O.A. Технологическое обеспечение прочности профильных неподвижных соединений упругопластическим деформированием элементов соединения: Дис. . канд. техн. наук. Омск, 2004. - 141с.

28. Добровольский В.И. Сопротивление материалов: учебник / В.И. Добровольский, C.B. Добровольский. Ижевск: Изд-во ИжГТУ, 2011. -404 е.: ил. ISBN 978-5-7526-0485-0

29. Дулотин В. А. Технология сборки автофретированием и несущая способность соединений с натягом: Дис. . канд. техн. наук. Ижевск, 1993.-114с.

30. Евстифеева Е.А. Технологическое обеспечение прочностных характеристик соединений с натягом при сборке с анаэробными материалами: Автореф. канд. техн. наук. Пенза, 2009. - 21с.

31. Ефимов И.Н. Обезвоживание и прессование бумажного полотна. Красноярск: Изд-во Краснояр. ун-та, 1988. 156 с.

32. Зб.Зенкевич О. Метод конечных элементов в технике / Пер. с англ. Под ред. Б.Е. Победри.- М.: Мир, 1975.- 541с.

33. Иванов М.Н. Детали Машин: Учебник для машиностроительных специальностей вузов/ М.Н. Иванов, В.А. Финогенов. 12-е изд. испр. -М.: Высш. шк., 2008 - 408с.: ил.

34. Иванов A.C. Касательное смещение в соединении с натягом под действием изгибающего момента. // Вестник машиностроения, 2008 г. №4, С.38-41. ISSN 00424633.

35. Иванов A.C., Ермолаев М.М. Работа соединения с натягом при передаче соединением изгибающего момента. // Вестник машиностроения, 2009 г. №5, С.44-48. ISSN 00424633.

36. Иванов A.C., Новоженова О.Г., Азарин А.И. Самораспрессовка соединения с натягом под действием изгибающего момента. // Вестник машиностроения, 2008 г. №10, С.32-34. ISSN 00424633.

37. Клованич С.Ф. Метод конечных элементов в нелинейных задачах инженерной механики. Библиотека журнала «Свгг геотехшки», 9 выпуск. 3.: ООО НПО «Запорожье», 2009,400 с.

38. Клековкин B.C. Конструкторско-технологические основы управления нагрузочной способностью соединений с натягом: Дис. . д-ра техн. наук. -Ижевск, 1995.-318с.

39. Клепиков В.В., Аверьянов О.И. Технология фрезерования изделий машиностроения. Изд-во Форум, 2008,432 с. ISBN: 978-5-91134-204-3

40. Корсаков B.C. Основы технологии машиностроения. Учебник для вузов. М. Изд-во Высшая школа. 1974г. 336с.

41. Крагельский И.В. Трение и износ. М.: Машиностроение, 1968. - 480 с.

42. Кудрявцев И.В., Попов A.A., Тимонин В.М., Яроменко М.В. Несущая способность прессовых соединений при циклическом изгибе / Вестн. Машиностроения. 1980. - № 11. - С. 5-7.

43. Курносов Н.Е. Исследование величины фактической площади контакта и ее влияние на качество соединений с натягом: Автореф. канд. техн. наук. М.: МВТУ им. Баумана, 1976. - 26с.

44. Курносов Н.Е. Обеспечение качества неподвижных соединений: Монография. Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2001. - 220с.

45. Малинин H.H. Прикладная теория пластичности и ползучести: Учебник. -2-е изд. -М.: Машиностроение, 1975. -400с.

46. Минько A.A. Статистический анализ в MS Excel, серия Профессиональная работа; 2004,4 кв.; Диалект, 448 стр., с ил. ISBN: 5-8459-0692-х

47. Муслина Г.Р., Правиков Ю.М. Измерение и контроль геометрических параметров деталей машин и приборов: учебное пособие Ульяновск; под общ. ред. Л.В. Худобина. - УлГТУ, 2007. - 220 с. ISBN 5 - 89146

48. Мягков В.Д. Допуски и посадки: Справочник. Изд. 4-е перераб. И доп. М.-Л.: Машиностроение, 1966., 770 с.

49. Перфильева Н.В. Динамическая модель механического контактирования условно-неподвижных соединений: Автореф. . д-ра техн. наук. -Томск, 2003. 39с.

50. Подниколенко A.B. Динамический упругий контакт в соединениях с натягом в пределах трения покоя: Дис. . канд. техн. наук. Барнаул, 2004. -163с.

51. Присекин В.Л. Основы метода конечных элементов в механике деформируемых тел : учебник / В.Л. Присекин, Г.И. Расторгуев. -Новосибирск : Изд-во НГТУ, 2010.-238 с. (серия «Учебники НГТУ»)

52. Протасов А. В. Повышение качества крупногабаритных соединений с гарантированным натягом при ремонте газовых компрессоров: Дис. . канд. техн. наук. Иркутск, 2007. - 144 с.

53. Решетов Д.Н. Детали машин. М.: Машиностроение. 1989, 496 с.

54. Рудак П.В., Гриневич С.А. Влияние состояния режущей кромки концевого фрезерного инструмента на коэффициент запаса по критерию усталостной прочности. II Международный Евразийский Симпозиум, 2-5 октября 2007, http://symposium.forest.ru/

55. Соснович Э.В. Теоретические основы математического моделирования гидропрессовой сборки соединений с натягом: Дис. . канд. техн. наук. -Ижевск, 1999. 158с.

56. Трушин С.И. Метод конечных элементов. Теория и задачи. Изд-во АСВ. -Москва, 2008. 256 с.

57. Турыгин Ю.В. Нагрузочная способность соединений с автофреттированными охватывающими деталями: Дис. . канд. техн. наук. -Ижевск, 1984.-188с.

58. Турыгин Ю.В. Определение суммарных напряжений в зоне их концентрации от посадки /Ю.В. Турыгин, И.В. Абрамов //Теория машин металлургического и горного оборудования: межвуз. сб. науч. тр. — Свердловск, 1987. С.81-86

59. Уотерхауз.Р.Б. Фреттинг-коррозия. Ленинград, Машиностроение, 1976

60. Фаттиев Ф.Ф. Разработка методов повышения нагрузочной способности и расчета конических соединений: Дис. . канд. техн. наук. Устинов, 1985. - 136с.

61. Фёдоров, Н. Н. Теория механизмов и машин: учеб. Пособие. Омск: Изд-во ОмГТУ, 2008. - 224 с. ISBN 978-5-8149-0581-9

62. Фролов Н.В., Цфайс Б.С. Теория цилиндрического соединения с натягом, нагруженного крутящим моментом. Изв. Вузов. Машиностроение, 1973, №9.-с. 16-20.

63. Чигарев A.B., Кравчук A.C., Смалюк А.Ф. ANSYS в руках инженеров: Справ, пособие. М.: Машиностроение-1,2004. 512 с. ISBN 5-94275-048-3

64. Щенятский А.В. Напряженно-деформированное состояние и нагрузочная способность многослойных соединений с натягом: Дис. . канд. техн. наук. -Ижевск, 1993,- 171с.

65. Щенятский А.В., Абрамов И.В., Клековкин B.C., Турыгин Ю.В. Управление нагрузочной способностью и напряженно-деформированным состоянием прессовых соединений // Вестник Ижевского государственного технического университета, 2001, №4, с.5-8.

66. Щенятский А.В., Абрамов И.В, Турыгин Ю.В. Напряженно-деформированное состояние и несущая способность высокопрочных прессовых соединений. // Вестник Ижевского государственного технического университета, 2001, №4, с. 11-15.

67. Щенятский А.В., Абрамов И.В, Федоров В.Б., Сивцев Н.С., Соснович Э.В. Эволюция развития гидропрессового метода сборки / Интеллектуальные системы в производстве.-2008, №1.-С.133-153.

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

69. Abramov I.V., Abramov A.I., Sinitsyn A.N., Sinitsyna V.V. and Petrov A.V. Experimental plant for interference fit disassembling. // MECHATRONIKA, 2011 14th International Symposium, 2011. P. 90 - 92. ISBN 978-1-61284821-1

70. Alfredsson B. Fretting fatigue of a shrink-fit pin subjected to rotating bending: Experiments and simulations. // International Journal of Fatigue. Volume 31, Issue 10, October 2009, Pages 1559-1570

71. Ast M., Rosle H., Schenk R. Finite Element Analysis of Shrink-Fit Shaft-Hub Connections

72. Benson D J and Hallquist J.O. A Single Surface Contact Algorithm for the Post-Buckling Analysis of Shell Structures. Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering. Vol. 78, No. 2. 1990.

73. Dusan Stamenkovic, Slobodan Jovanovic, Milos Milosevic. INVESTIGATION OF THE PRESS FIT JOINTS BY THE TRIBOLOGY ASPECT. FACTA UNIVERSITATIS. Series: Mechanical Engineering Vol.1, No 8, 2001, pp. 1057 1064.

74. Ferenc Kolonits. The influence of rounded edges on the shaft-hub contact. // Periodica polytechnica ser. transp. eng. vol. 51, no. 1, pp. 35.44 (2007)

75. Kulish E.V., Abashev M.M., Ivannikova A.V., Schenyatskiy A.V. Numerical-analytical Methods in Perfection of Assembly Technique of Joints in Main Machines Units. Budapest, Hungary, Pollack Periodica, Vol. 1, No. 2, pp. 71-82, (2006), ISSN 1788-1994.

76. Kulish E.V., Tuiygin Y.V. Calculation methods for press-fit polyjoints. International Symposium Advances in Mechatronics 2007 (AiM 07) 4-6 December 2007 Brno, University of Defence, Czech Republic, 2007. - 6 S. ISBN 978-80-7231-314-3.

77. Kulish E.V., Tuiygin Y.V. Load capacity and mode of deformation of press fit polyjoints. 11-th International Symposium on Mechatronics "Mechatronika 2008", Trencianske Teplice, Slovakia, 2008. -p.41-44. ISBN 978-80-8075-3054.

78. Lewis R., Yoxal A., Marshal M.B. Comparison of numerical and ultrasonic techniques for quantifying interference fit pressures. Proc. IMechE Vol.222 Part C: J. Mechanical Engineering Science

79. McGovern Bryan M., Kaufman Glenn A. Interference fit joint and method and indexable ratchet wrench utilizing same. United States Patent 6101907. http://www.freepatentsonline.com.

80. Nozue Akira. Press-fit Joint Structure. Patent with International Application No.: PCT/JP2003/012987. http://www.wipo.int.

81. Peric, D. and Owen, D.R.J., "Computational Model for 3-D Contact Problems with Friction Based on the Penalty Method", International Journal for Numercial Method in Engineering, Vol. 35, pp. 1289-1309 (1992).

82. Ram P. Goel. Analysis of an Interference-Fit Pin Connection. // IEEE TRUNSACTIONS ON COMFONENTS, HYBRIDS, AND MANUFACTURING TECHNOLOGY, VOL. CHMT-1, NO. 3, SEPTJXMBJXR 1978, p.248-251.

83. Sellgren Ulf, Bjorklund Stefan and Andersson Soren. A Contact Model for Rough Surfaces. NAFEMS World Congress, Rhode Island, USA, April 25-28, 1999

84. Sellgren Ulf and Olofsson Ulf. Application of a Constitutive Model for MicroSlip in Finite Element Analysis. Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering, 170/1-2, pp. 65-77, 1999

85. Schenyatskiy A.V., Kulish E.V., Luzgin A.A., Ivannikova A.A. Automation of Assembly of Wheelsets Made by Hydraulic Forging Method. Engineering MECHANICS, Vol.12,2005, #A1, Brno, Czech Rep., pp.333-339.

86. Thornley R.X., Elevat J. The static and dynamic stiffness of interference shrinkfitted joints // International journal of machine tools manufacture. 1988/ -141-155 p.

87. White D.J, Humpherson J. Finite-element analysis of stresses in shafts due to interference-fit. // The Journal of Strain Analysis for Engineering Design Vol. 4, №2, 1969

88. Wriggers, VuVan, and Stein, "Finite Element Formulation of Large Deformation Impact-Contact Problems with Friction", Computers and Structures, Vol. 37, pp. 319-331.-1990.

89. Urriolagoitia S.G., Hills D.A., Sackfield A. A shrink-fit peg subject to bending and shearing forces. // The Journal of Strain Analysis for Engineering Design, 1999, Vol. 34, № l, 0309-3247 (Print) 2041-3130 (Online)

90. Паспорт УВ 404176.030 ПС «Датчик сило- и весоизмерительный тензорезистивный Марадат К-С-18М-0,1-СЗ». http://www.uralves.ru100.«Л-Кард». LGraph2. Руководство пользователя. // Электронный ресурс. -Москва. Март 2011. http://www.lcard.ru

91. Каталог. Цельные концевые фрезы. Издание MN 2012. http://www.secotools.com

92. Ю2.Каталог. Вспомогательный инструмент. Издание MN 2012. http://www.secotools.com

93. Каталог. Фрезы концевые. Издание 4-е. Лексикон Лейтц. http://www.leitz.ru

94. ANSYS 12.1 Academic Research. ANSYS User's Guide. // ANSYS, Inc. 2009

95. Протокол измерения размеров образцов