автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.02, диссертация на тему:Несущая способность многослойных прессовых соединений при действии циклических нагрузок

РГБ ОД

На правах рукописи

ТУРЬГИН АЛЕКСАНДР БОРИСОВИЧ

УДК 621.88.034

НЕСУЩАЯ СПОСОБНОСТЬ МНОГОСЛОЙНЫХ ПРЕССОВЫХ СОЕДИНЕНИИ ПРИ ДЕЙСТВИИ ЦИКЛИЧЕСКИХ НАГРУЗОК

Специальность 05.02.02 - "Машиноведение и детали машин"

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Ижевск - 1996

Работа выполнена б Ижевском государственном техническом университете

Научный руководитель - заслуженный деятель науки и техники Р<!

доктор технических наук, профессор И. В. Абрамов

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор И. Н. Ефимов

кандидат технических наук, доцент А. С. Канаев

Ведущая организация - АО НИИбуммаш, г.Ижевск

Защита состоится " 199 ^г. в часов

на заседании диссертационного совета Д.064.33.02 в Ижевском государственном техническом университете по адресу : 426089, г.Ижевск, ул.Студенческая 7, корп. 1 .

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке ИжГТУ .

Автореферат разослан " 26" с^л/ле-^-Я 199_^г.

Ученый секретарь диссертационного совета док. тех. наук, профессор

Крекнин Л.Т.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актузльность_темы- Повыиение надежности и долговечности машин в значительной мере зависит от нагрузочной способности деталей и узлов, в том числе прессовых соединений. Одним из путей повышения несущей способности СНС) таких соединений является, введение в зону контакта прослойки,- которая предварительно нанесена на одну или обе сопрягаемые поверхности. Перспективность многослойных прессовых соединений СМПСЗ, обладающих высокой статической прочностью, и отсутствие апробированных методик расчета на долговечность таких конструкций выдвигает -задачу теоретического и экспериментального исследования их работоспособности и долговечности. Создание научных основ проектирования данных соединений расширит область их применения в промывленности. Особую актуальность проведенные исследования имеют для бумаго- и картоноделательных машин, в которых используется значительное число прессовых соединений Сдо двун тьсячЗ. требующих улучшения конструкций по крйтериям . металлоемкости и долговечности.

Цель, работы. Развитие метода ..расчета НС МПС при действии циклических нагрузок создает научно-экспериментальную базу и расширяет область применения таких соединений в различных машинах.

Методы, исследования. Теоретическое исследование проведено с . использованием фундаментальных положений теории упругости, включая теорию малых упруго-пластических деформаций, а также теории вероятностей с привлечением статистических методов и аппарата вычислительной математики. Проведены экспериментальный исследования с применением методов математического планирования, а также современной электронно-вычислительной информационной системы.

Научная., новизна. Разработана математическая модель для многослойного прессового соединения на базе теории малых упруго-пластических деформаций и вариационных принципов механики, которая реализована для пространственного случая на основе метода конечных элементов и исследовано ее поведение при приложении внешней нагрузки. Впервые получены данныэ об обьемном напряженно-деформированном состоянии деталей многослойных прессовых соединений при действии внешней нагрузки .

Практическая__ценность. В результате проведенных теоретических и экспериментальных исследований получил развитие вероятностный метод расчета несущей способности прессовых соединений при циклической нагруженности. в том числе и МПС, что позволило автоматизировать проектирование реальных конструкций .

Реализация.результатов работы. Результаты работы внедрены на АО НИИбуммаш и использованы при проектировании прессовых соединений в узлах бумагоделательных машин.

Апробация работы. Основныз результаты работы докладывались и обсуждались на научной конференции "Технологическая надежность конструкций " 1989 г. , научных конференциях ИжГТУ 1993-1996 г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 3 печатных работ, в том числе авторское свидетельство на изобретение . На защиту выносятся:

усовершенствованный метод расчета несущей способности многослойных соединений с натягом при . действии циклических нагрузок.реализующий математический аппарат теории упругости , малых упруго-пластических деформаций и реализованный с применением метода конечных элементов;

результаты экспериментальных исследований долговечности МПС в виде математической модели усталостной прочности охватываемых деталей при циклическом нагружении;

методика расчета несущей способности прессовых соединений при циклическом нагружении, в том числе МПС;

рекомендации по проектировании и изготовлению прессовых соединений , обладающих повышенной несущей способностью в условиях действия циклических нагрузок .

Диссертационная работа проведена на кафедре "Основы машиноведения и робототехника " Ижевского государственного технического университета .

Обьем_и структура диссертационной_работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографии из 112 названий и 3 приложений. Обьем работы 203 страниц машинописного текста, включая 30 иллюстраций, 18 таблиц. Приложения содержат таблицы экспериментальных данных, методику расчета соединений с натягом, внедренную на АО НИИбуммаш г. Ижевск.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ ВВЕДЕНИЕ

Во введении обоснована актуальность теш диссертационной работы, показана научная новизна и практическая ценность, сформулированы задачи и цели исследования .

Глава 1.СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ

В машиностроении, наряду с другими конструкторскими и технологическими способами повывения несущей способности соединений с натягом при циклическом нагружении, получило направление, связанное с введением металлических прослоек в зону контакта прессового соединения. Исследовании влияния прослоек на технические характеристики соединения посвящены работы Е.С.Гречмцева, А. С.Зенкина, Н.С.Беляева, Л.Ф. Михайленко, A.A. Ильяшенко. Г. А. Бобровникова и других ученых. Установлено, что несущая способность прессовых соединений,при действии циклических нагрузок, в том числе и МПС в основном определяется долговечностью охватываемой детали и экспериментально показано, что введение в зону контакта прослойки приводит к увеличению усталостной прочности охватываемой детали в зоне напрессовки на 13 - 20 % . Вероятностные методы расчета несущей способности соединений с натягом без прослоек при циклической нагруженности разрабатывались С.В. Серенс-еном, В. П. Когаевым и другими авторами. Отмечено, что при проектировании новых конструкций, когда данные о коэффициентах концентрации отсутствуют, применяется метод определения функции распределения долговечности охватьтаемых деталей по значениям предела усталости стандартного образца и суммарных напряжений в опасном сечении вала.

Однако применение данного метода для расчета несущей способности многослойных прессовых соединений при действии циклических нагрузок затруднительно, так как существующие методики не позволяют с необходимой точностью определять напряжения в деталях МПС .

Следует отметить, что современные представления в механике сплошных сред, развитые в трудах Ильюшина A.A., Колтунова М. А.,

Поздеева А. А.. Москвитина В. В. и других ученых, позволяют провести комплексный анализ поведения деталей многослойных прессовых соединений при действии внешней нагрузки .

Поэтому в диссертационной работе были поставлены и решены следувщие задачи ••

1. Разработка математической модели напряженно-деформиро -ванного состояния многослойного прессового соединения и исследование ее поведения при приложении внешней нагрузки;

2. Экспериментальное исследование НС МПС при действии переменных нагрузок;

3. Развитие метода расчета несущей способности многослойных соединений с натягом на вероятностной основе;

4. Апробация результатов теоретического и экспериментального исследования при их внедрении в производство .

Глава 2. РАЗВИТИЕ МЕТОДА РАСЧЕТА НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ МПС ПРИ ДЕЙСТВИИ ЦИКЛИЧЕСКИХ НАГРУЗОК

Решение обьемной контактной задачи с помощью метода конечных элементов по разработанному алгоритму Срис.13 составляет основу развития метода расчета несущей способности МПС при действии циклических нагрузок .

Напряженно - деформированное состояние деталей описывается вариационным уравнением Лагранжа :

/ 5 С £ >ТС <у > оП/ - { 5 < и >т{ Р >®<Б = 0. Ш

V в

где б - символ Кронекера ;

{£> - тензоры напряжений и деформаций ; и - перемещение ; { Р поверхностнье силы ;

В качестве начальных условий принимается напряженно -деформированное состояние деталей МПС после сборки соединения до нагружения внешней силой . Тогда имеем следующее определящее уравнение среды :

< о > = -С с0> + [ 0 ] С е }, С2Э

где а0 ~ напряжения после сборки прессового соединения ;

[0] - матрица упругих констант материалов деталей .

Граничные условия определяются схемой нагружения

{ Р Г С гр , г ). { и Г С ^ . г ), СЗЭ

(Уд ЧАЛ 0^ Г— 2 1 II

\ Ввод исходных \ \ данных \

•ч

Формирование

гранитных.

условий

Формирование матрицы жесткости охватываемой детали с учетом прослойки!К ]

Формирование матрицы жесткости охватывающей детали с учетом прослойки[Ка3

6

Расчет исходных векторов узловых сил <Рг>(-СР2>

Расчет перемещений Си^.-СЦд)

а

-10

Расчет напряжений а и деформаций е

г 11 —

Расчет радиуса

текучести

- 12 -

Уточнение значения модуля упругости материла детали Е

Расчет остаточных напряжений с учетом контакта и внешней силы

Уточнение сил в зоне контакта

Р*= V

Условие совместности .перемещений

нет

- 13 -

Расчет несущей

способности МПС

— 16—,-ч

(к 0 Н Е Ц )

Рис.1. 'Схема алгоритма расчета несущей способности и НДС деталей МПС при приложении внешней нагрузки

где г ,<р , z - координаты точки поверхности детали ;

<Р) , {и> - вектора сил и перемещений , обусловленныз схемой нагружения . Детали соединения разбиваются на объемные конечные элементы. Векторы узловых сил. действующие на сопрягаемые детали формируются после того, как определены технология сборки, способ и место нанесения прослойки, а также вид нагружения. Для определения сил, действующих в зоне контакта, сопрягаемые детали рассматриваются отдельно друг от друга. Учитывая совместность перемещений контактных слоев прослойки и детали, на которую она нанесена, последняя рассматривается как одно целое и матрица жесткости составляется как для монолитной детали, имеющей переменные физико-механические свойства .

Векторы узловых сил { Р У для охватывающей и охватьюаемой детали определяются следующим образом :

Pt="Ö.S р С~ радиальная составляющая силы. (43

если i соответствует номеру

зоны узла контакта ; Pt= Ö.5 TcpCr1_19'1_1z1_1+r1i)1z1 3- осевая составляющая (9)

силы, если i соответствует номеру

узла зоны контакта при ттх0> [г]ср

PjO. 5РГС P^j Э С г j Vj.j+r t Vj ^ - осевая составляющая С6Э

силы, если i соответствует номеру узла зоны контакта при х п < Cr]

maxO ср

Pt=0 - если i соответствует номеру С73

узла зоны свободной от внешних сил,

где rt> <р , zx~ координаты i-ro узла конечного элемента; Г - коэффициент трения; tf] - допускаемые напряжения среза, которые зависят от материала прослойки.

Действие внешней нагрузки аппроксимируется узловыми силами, радиальные составляющие которых определяются:

р1 = м< 1Г1 1-1 г1-г_Ц_

1=1 * 1=1

Следует отметить, что алгоритмы - формирования векторов узловых сил построены с учетом следующих допущений :

- сопрягаемые поверхности идеально гладкие ;

- поверхности деталей соединений идеально правильные ;

- узловые силы в зоне контакта рассчитываются итерационным способом;

- сила сцепления прослойки с деталью, на которую она нанесена гальваническим путем больше, чем сила сцепления прослойки с другой деталью в зоне контакта .

Таким образом получены выражения для формирования векторов внешних сил прессовых соединений при нагружении внешней силой .

На следующем этапе определяется величина натяга в г -ом узле зоны контакта на первом шаге итерации .-

сои^салэ - н1+ х21- хи+ сои^алэ + хх . сээ

где С0К01С2Л),СОР01С1 Л) - координаты 1-го узла зоны

контакта охватываемой и охватывающей деталей соответственно ; Хг1, X - перемещения охватываемой и охватывающей деталей соответственно ; Н - толщина прослойки ; Хд - величина контактной податливости стыка .

Далее производиться проверка условий по силам и моментам в зоне контакта:

р»+ р12 = 0 •

н я * V л3 = г ир

СЮ)

Е м* = £ иГ + 5 1=1 1 ^

где М® , М* - моменты от внешних и внутренних сил

в зоне контакта соответственно Рп, Р12~ узловые силы в 1 -ом узле зоны контакта охватывающей и охватываемой деталей

соответственно ; 5 - величина невязки по моментам $ = 0.01 М®. Если условие СЮ) не выполняется уточняем величину натяга : V Х„± М11+ ХИ1± АХг1. СШ

где ^ц' величина приращения перемещений на

контактной поверхности охватывающей и охватываемой деталей соответственно. В результате получаем следующее условие совместности перемещений охватываемой и охватывающей деталей в зоне контакта :

V *« + ХА С12:)

При достижении заданной точности £ 0,01М®3 расчет прекращается.

Определяются интенсивности напряжений и деформаций е^для

каждого элемента, если они выходят за пределы упругостей, то

уточняются Е^ по действительной диаграмме растяжения . Затем

производится уточнение матриц жесткостей [К] сопрягаемых деталей.

Расчеты проводятся до тех пор пока АЕ не будет меньше 1% Е.

Построены изолинии напряжений в многослойном прессовом

соединении Срис.23, получены зависимости влияния уровня

интенсивности напряжений Срис.43 и значения теоретического

а

коэффициента концентрации напряжений Сар= р-рдт* 3 от толщины прослойки Срис.33.

Проведено теоретическое исследование напряженно-деформированного состояния деталей МПС и установлены закономерности изменения НДС от толщины прослойки МПС.

Глава 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ НЕСУШЕЙ СПОСОБНОСТИ МНОГОСЛОЙНЫХ ПРЕССОВЫХ СОЕДИНЕНИЙ ПРИ ДЕЙСТВИИ ЦИКЛИЧЕСКИХ НАГРУЗОК

Проверка выдвинутых в главе II положений о влиянии тонких металлических прослоек на несущую способность МПС при действии переменных нагрузок является основной задачей экспериментального исследования.

Данная задача, на наш взгляд, характеризуется как двуединая, поскольку требует определения НДС в деталях соединения и в то же время определения долговечности валов в МПС. Методологически это

обеспечено путем соответствующего планирования эксперимента.

При исследовании НДС в МПС учтено влияние следующих факторов--отношения D/d=1.5...2.0 . L/d=l,0.. .2.5 . H/d=0.0003 ... 0.002 . N/d= 0.0016 ... 0,0033 CD- наружный диаметр охватывающей детали,мм; d - номинальный диаметр посадки 12 мм; L - длина сопряжения,мм;Н - толщина прослойки,мм: N - натяг, мм J.

Материал охватываемой детали сталь ДОХ ГОСТ 4343 - 71. Охватываемые детали изготавливались из прутка и после термообработки С улучшение} подвергались правке и шлифовке. Шероховатость полученных поверхностей 1,3 - 1,23 мкм. твердость HB 360 - 380. После этого наносилось цинковое гальваническое покрытие толщиной СН2) 6 и 12 мкм.

Материал охватывающей детали - сталь 40Х. Охватывающие детали изготовлены из прутка. Втулки подверглись улучшению. Твердость поверхностей деталей HB 340 - 360 . Наружные поверхности получены точением с последующим шлифованием и имеют шероховатость 1.3 -

I,23 мкм. Внутренние поверхности после сверления развертывались -шероховатость 1.3 - 1,23 мкм . После чего гальваническим методом получено медное покрытие толщиной CHI) 6 - 24 мкм .

Анализ проведенного экспериментального исследования НДС многослойного прессового соединения при нагружении соединения чистым изгибом показал, что погрешность между теоретическими и средними экспериментальными значениями перемещений и контактного давления не превышает 5-7% во всем диапазоне исследуемых факторов.

Усталостные испытания опытных соединений проводились на универсальной испытательной машине МУИ-6000 при нагружении чистым изгибом с вращением методом Локати.

В результате статистической обработки опытных данных получена математическая модель в безразмерных координатах в виде--

о- = 703,00 - 251,246 D/d + 33,592 h/d + 12.3 Hl°'s/d + +

II,7 Н2 'Bsd - 123,8 N-'d + 27,7 D/d*L/d + 41 Hl06/d*L/d--37,274H20'?d*N/d CMOaD

Проверка полученного уравнения по критерию Фишера при 5% уровне значимости показала, что математическая модель адекватно описывает указанную зависимость в диапазоне значений факторов .

Оценка значимости факторов проводилась с помощью критерия t -Стыэдента при 3 % уровне значимости .

При нанесении прослойки на охватывающую деталь

Рис.2. Изолинии интенсивности напряжений о^СМПаЭ деталей МПС при нагружении чистьы изгибом 1 - охватывающая деталь, 2 - прослойка . 3 - охватываемая деталь

Рис.3. Зависимость теоретического коэффициента концентрации напряжений а^от толщины медной прослойки I

1- = 2,0 ; ЬМ = 1,0;N/<1 = 0,0033

2- д/й = 2,0 ; 1/4 = 2.5;N/<1 = 0,0033

3- В/й = 2.0 ; Ш = 1.0;М/с1 = 0,0016

С Б - наружный диаметр охватывающей детали ,мм ; б- номинальньй диаметр посадки . мм ; Ь - длина сопряжения .мм ; N - величина натяга в соединении . мм 3

наблюдается увеличение пределу выносливости на 16-20 % при изменении толщины прослойки до 3 мкм. при большей толщине увеличение предела выносливости составляет не более 3-7 % Срис.3) . Аналогичное влияние отмечено и при нанесении на вал цинковой прослойки .

Таким образом, подтверждены теоретические закономерности влияния конструктивных параметров МПС на НДС деталей соединения. Определена несущая способность многослойных прессовых соединений при циклическом нагружении и ее зависимость от геометрических параметров МПС. '

Глава 4. ПРАКТИЧЕСКОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ

Проведенные теоретические и экспериментальные исследования позволили выявить механизм взаимодействия контактирующих поверхностей составных частей многослойного прессового соединения и образования НДС при нагружении внешней нагрузкой, что дало возможность разработать методику расчета несущей способности для реальных конструкций многослойных прессовых соединений при действии циклических нагрузок. Внедрение МПС в машинах и механизмах потребовало комплексного решения задач оценки надежности, разработки метода расчета и рациональных способов сборки, что и было проделано для условий промышленного единичного производства тяжелого машиностроения .

Разработана методика расчета соединений с натягом, включая расчет прочности сцепления сопряженный" деталей, выбор посадки и оценку долговечности вала в зоне напрессовки. Методика внедрена на АО НИИбуммаш (г. Ижевск):использована в проекте модернизации сушильной части картоноделательной машины К-09.

ОБШИЕ ВЫВОДЫ

В результате проведенных теоретического и экспериментального исследований прессовых соединений с мягкой металлической прослойкой при переменных нагрузках приходим к следующим выводам .

1. На основе анализа работы соединений с натягом при циклических нагрузках и факторов, определяющих их нагрузочную способность, подтвержден один из путей обеспечения требуемой

61, ППа

200 175 150

л 1 »

II I \ Г" ___.

! Г" . » ,__

0,0005 0,001

0,0015

Рис.4 Влияние толщины медной прослойки 1сц на уровень

интенсивности напряжений с^в опасном сечении вала

1- им = 2.0

2- 0/с1 = 2.0

3- Ш = 2.0

= ЬО.И/с! = 0,0024 1/6 = 2.5.И/с! = 0.0024 ; Ш = 1.0,N/<1 = 0,0016

<4

МПа 275

250 225

А Л-

| -

Л

10

20

30

Рис.З Зависимость предела выносливости вала ог_1 в МПС от толщины медной прослойки I

1 - Ш = 2.0 ,0/с( = 1.5 ;

2 - Ш = 1,3 ,д/<1 = 2.0 ;

нагрузочной способности соединений - введение в зону контакта мягкой металлической прослойки .

2. Впервые для многослойных соединений с натягом разработана методика расчета несущей способности прессовых соединений при циклическом нагружении в условиях объемного напряженно-деформированного состояния сопрягаемых деталей .

3. Создана математическая модель многослойного прессового соединения на базе теории малых упруго-пластических деформаций и реализована с использованием МКЭ. и исследовано ее поведение при приложении внешней нагрузки .

4. Установлено,что с увеличением толщины прослойки до величины Н/<1=0.0005 наблюдается уменьшение на 9-11% значений интенсивности напряжений в опасном сечении вала при их концентрации от посадки, при дальнейшем увеличении толщины прослойки это изменение имеет более плавный характер. Показано, что расположение прослойки Сна охватываемой или на охватывающей детали) не влияет на напряженно-деформированное состояние составных частей соединения .

5. Получено, что наличие мягкой металлической прослойки вызывает уменьшение контактного давления у торца ступицы на 10 -13 X .

6. Получены зависимости, устанавливающие связь между величиной натяга, геометрическими параметрами многослойного соединения и пределом усталости вала в зоне напрессовки . Показано, что применение медной прослойки повынает усталостную прочность валов в зоне напрессовки на 10 - 20 % .

7. Разработана методика вероятностного расчета соединений с натягом реальных конструкций по критериям прочности сцепления и усталостной прочности охватываемых деталей, что является составной частью системы автоматизированного проектирования деталей машин .

8.Результаты диссертационной работы внедрены в виде комплексной методики расчета прессовых соединений в АО НИИбуммаш и использованы в техно-рабочем проекте модернизации сушильной части картоноделательной машины К-09.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих заботах-.

1. А. С. N 1288012 ССССР) Способ сборки с натягом охватывающей 5 полой охватываемой деталей. //В.С. Клековкин, В.А.Дулотин, 1 В.Абрамов ,А.Б. Турыгин и др. - Опубл. в Б. И. . 1937, N5.

2. Клековкин B.C. Дулотин В.А. Турыгин A.B. Разработка и исследование способа сборки составных каландровых вало] автофретированием , с целыэ повыиения их надежности //"Тез. докл. научно-техн. конф. "Технологическая надежность конструкций"

СКуйбышев . ноябрь ,1989) - Куйбыиев , 1989. - С.21.

3. Абрамов И.В..Турыгин A.B. Экспериментальное исследование усталостной прочности валов в многослойных прессовых соединения: //Тез. докл. научно-тех. конф."Ученые Ижевского государственной технического университета - производству" СИжевск,апрель, 1994г.).- Ижевск :Б.И., 1994 .-С. 17.

4. Абрамов И.В., Щенятский A.B., Турыгин А.Б. Методика определения напряженно-деформированного состояния многослойны прессовых соединений при нагружении чистым изгибом. // Тез. докл. научно - тех. конф. "Ученые Ижевского государственного технической университета - производству" СИжевск, апрель, 1996). - Ижевск 1996 . - С. 24.

5.Абрамов И.В., Щенятский A.B., Турыгин А.Б. Исследование напряженно-деформированного состояния деталей многослойных прессовых соединений при нагружении чистым изгибом. // Тез. докл. научно- тех. конф."Ученые Ижевского государственного технической университета-производству " СИжевск , апрель , 1996).- Ижевск 199S .-C.2S.