автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.01, диссертация на тему:Расчётная оценка демпфирования в многоконтактных стыках в условиях предварительного смещения

Введение.

1. Обзор литературы и постановка задачи.

1.1. Структура динамического расчёта.

1.2. Цель работ по определению демпфирования.

1.3. Теоретическое и экспериментальное направления определения 15 демпфирования.

1.4. Влияние качества контактирующих поверхностей на динамические 22 характеристики узлов.

1.5. Задачи исследования.

2. Формирование расчетной модели и исходных расчетных зависимостей 26 на ее основе.

2.1. Исследование контактов по виду прикладываемых нагрузок.

2.2. Выбор оптимальной модели для описания контакта.

2.3. Определение основных расчетных зависимостей.

2.4. Дополнительная информация о вспомогательных расчетных зависи- 36 мостях и справочная информация.

2.5. Выводы по главе 2.

3. Разработка алгоритма решения задачи оценки диссипативных свойств 39 многоконтактной системы.

3.1. Формирование принципов нахождения рассеяния энергии для мно- 39 гоконтактной системы.

3.2. Этапы расчета рассеяния энергии колебаний в многоконтактной сис- 41 теме.

3.3. Выводы по главе 3.

4. Экспериментальное исследование. 57 4.1. Состав и назначение измерительного комплекса.

4.1.1. Краткая техническая характеристика.

4.1.2. Элементы управления анализатора.

4.1.3. Поле изображений результатов и передачи данных.

4.1.4. Режимы измерений.

4.2. Образцы для проведения экспериментов, программа экспериментов.

4.3. Общий анализ виброграмм колебаний. 73 5. Применение методики на стадии проектирования станков. 107 Основные выводы и рекомендации по повышению демпфирующих ха- 109 рактеристик узла.

Основой успеха в нынешней конкурентной борьбе является повышение качества выпускаемой продукции при снижении общих издержек производства. Достигается такой успех широким использованием автоматизированных безлюдных производств, применением специального высокопроизводительного оборудования. Для всех видов технологического оборудования характерны быстрота переналадки, возможность встраивания в автоматические производства. Также следует отметить, что вопрос ценовой конкуренции в станкостроении также актуален, как и в общем машиностроении, хотя современная технологическая машина и несет в себе целый ряд уникальных свойств, набор которых и определяет качество выпускаемой продукции.

Анализ развития и совершенствования видов обработки показывает, что прогресс в машиностроении требует постоянного обновления и модернизации технологического оборудования и, в частности, металлорежущих станков. Изучение разработанных стратегий развития автомобильной, аэрокосмической промышленности, конверсии оборонной промышленности показывает, что в соответствии с мировыми тенденциями развития технологий металлообработки и организации производства основу потребностей этих отраслей будут составлять высокоточные, скоростные виды металлорежущего оборудования для создания мощных, гибких быстроналаживаемых производств. Основу таких производств составляют гибкие производственные ячейки (ГПЯ) и модули (ГПМ). Приоритетным является распространение разомкнутых гибких производственных систем, которые можно наращивать и видоизменять путем введения в них ГПЯ и ГПМ.

Следует отметить, что широкое использование результатов фундаментальных исследований, повсеместное применение мощных программно-вычислительных средств при моделировании объектов и процессов, а также в качестве средств автоматизации производства позволило создавать современнейшие технологии с применением целого ряда материалов с новыми эксплуатационными характеристиками, выстраивать уникальные технологические цепочки. Появление новых технологий, создание специальных производств явило большой класс уникального высокотехнологичного и дорогостоящего оборудования. В этой связи основным направлением стратегии развития станкостроения является повышение конкурентоспособности продукции в сочетании с оптимизацией производства. К программным мероприятиям по повышению конкурентоспособности следует отнести совершенствование технического уровня, повышения качества и освоение перспективных и прогрессивных видов продукции.

Анализ вышесказанного показывает, что вопросы повышения качества в целом (и динамического качества в частности) металлорежущих станков приобретают новые грани актуальности. Все возрастающие требования к качеству продукции ставят перед станкостроением новые качественные задачи. Эти задачи могут успешно решаться только при всестороннем изучении динамических процессов, происходящих в станках и создании научно-обоснованных методов учета этих процессов при расчётах станков по показателям динамического качества.

Параметры качества узлов металлорежущих станков обеспечиваются подбором материалов, контсрукторско-технологическими средствами, способом управления и регламентом эксплуатации. В современном станкостроении отчетливо проявляется тенденция повышения скоростей резания на станках среднего размера до 10 ООО м/мин и соответственно частоты вращения шпинделя до 40 ООО - 50 ООО об/мин. Многие механизмы и узлы при высоких скоростях становятся мощными источниками вибраций и теплового излучения. Поэтому только эффективные инженерные решения определяют требуемую несущую способность, долговечность, жесткость, величину демпфирования и рациональное динамическое поведение конструкций. Это связано с тем, что основные показатели качества станка определяются на стадии проектирования. Особенностью последующих жизненных циклов станка является лишь сохранение и поддержание должного качества. При соблюдении технических требований обеспечивается необходимая точность перемещений формообразующих и вспомогательных узлов, точность их позиционирования.

Большое число узлов с относительным смещением поверхностей и часто нестабильные параметры процесса резания, возрастающие экстремальные динамические нагрузки вызывают к жизни сложные многофакторные динамические процессы. Картина может усложняться наложением на собственные вибрации возмущающих воздействий извне. Такие сложные процессы оказывают непосредственное влияние на качество обрабатываемых изделий, правильность функционирования узлов металлорежущих станков и их долговечность.

Из свойств колебательных систем машин способность демпфирования колебаний является одной из наиболее важных. Демпфирование колебаний в значительной степени определяет виброустойчивость станков, особенно в условиях вынужденных резонансных колебаний и автоколебаний. Повышенное демпфирование в данных условиях возбуждения может полностью обеспечить безвибрационную работу. Знание демпфирования колебаний в узлах важно: для расчётов виброустойчивости, для сравнительной оценки виброустойчивости узлов в различных конструктивных исполнениях, определения динамической жесткости и разработки конструктивных мероприятий по повышению виброустойчивости станочных систем.

Автор выражает свою искреннюю признательность: профессору, д.т.н. Хомякову B.C. за постоянную и кропотливую профессиональную помощь; сотрудникам кафедры «Станки» МГТУ «СТАНКИН» за вклад в работу; сотрудникам ЭНИМС за возможность использования необходимой литературы и консультации; коллективу АО «СКБ СПА» г. Чебоксары в лице генерального директора за помощь при проведении экспериментов; семье за поддержку, терпение и понимание.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. Рассеяние энергии зависит от вида напряженного состояния: относительное рассеяние следует различать по виду напряженного состояния - нормальное и тангенциальное, что подтверждается экспериментально [49]. Для анализа принято разделение многоконтактных систем на две группы. Первая группа - система нагружена только переменной нормальной нагрузкой. Вторая группа - система нагружена постоянной нормальной силой и переменной касательной.

2. При нормальном приложении переменной нагрузки наблюдается следующая картина. В случае центрального приложения нагрузки в контакте, микронеровности которого моделируются сферическими элементами, рассеяние энергии происходит лишь тогда, когда разнятся модули упругости материалов контактирующих поверхностей. В случае, когда модули упругости материалы контактирующих поверхностей одинаковы, не происходит взаимного проскальзывания микронеровностей в контакте, т.е. отсутствует трение, которое является основным механизмом демпфирования. Однако для реальных контактов наиболее характерным является нецентральный контакт микронеровностей. При этом площадки контакта расположены под некоторым углом (3 (обычно это 3 - 10°), поэтому даже для материалов с одинаковыми модулями упругости существует возможность наличия трения в контакте.

3. Предложенная математическая модель отражает зависимость коэффициента относительного рассеяния энергии от среднего нормального давления в стыке при демпфировании колебаний тангенциальными силами. График показывает, что с увеличением нормального давления при постоянном сдвигающем усилии рассеяние энергии растет. Величина предварительного смещения растет с увеличением нормальной нагрузки в контакте, следовательно, с ростом удельного нормального давления в контакте пропорционально увеличивается величина предварительно смещения. Вследствие этого увеличиваются осевые размеры петли гистерезиса для каждой из граней многоконтактной системы и самой системы в целом.

4. Увеличение нормальной нагрузки в контакте до некоторого критического значения может приводить к образованию пластических деформаций микронеровностей контакта. При этом пластически деформируются микро- и макронеровности контакта и поверхностные слои контактирующих поверхностей приобретают измененные физико-механические свойства. Если последующая нагрузка не превышает первоначальную, вызвавшую пластические деформации, то контакт необходимо рассматривать как упругий с измененными геометрическими и физико-механическими свойствами.

5. При анализе демпфирования тангенциальных колебаний предложенной методикой следует учитывать, что с течением времени демпфирующие свойства контакта изменяются. На демпфирующие характеристики контакта оказывают влияние реологические свойства системы и явление фреттинга. Влияние реологических свойств основано на том, что фактическое давление в контакте весьма велико. Это приводит к тому, что для некоторых наиболее нагруженных выступов микронеровностей наступает явление ползучести, и, следовательно, к изменению характеристик контакта с течением времени. Такая временная зависимость определяется свойствами материала, шероховатостью контактирующих поверхностей и приложенной к ним нагрузкой. Фреттинг, возникающий при колебательном относительном движении контактирующих поверхностей и малых колебательных перемещениях, значительно ухудшает качество поверхностных слоев. Поверхности подвержены процессам схватывания, микрорезания, усталостного разрушения микрообъемов. В зависимости от условий нагружения, свойств материалов, состава окружающей среды один из процессов может играть главную роль, а остальные - сопутствующую. Исследования такого рода в рамках данной работы не проводились, - очерчен круг вопросов, которые требуют своего рассмотрения.

6. Анализ виброграмм с помощью аппаратно-измерительного комплекса показал, что исследованная система является двухчастотной. В случае возбуждения нормальных колебаний собственные частоты системы составляют 48 и 400 Гц, в случае возбуждения тангенциальных колебаний - 24 и 48 Гц.

7. Для случая нормальных колебаний виброграмма представляет собой суммарную кривую, состоящую из двух гармонических компонент. Характер кривой в значительной мере изменяется при варьировании условиями эксперимента. Для условий затяжки стыка 1 - 2 кг-м (шифры экспериментов соответственно Н1 и Н2) низкочастотная и высокочастотная компоненты совпадают по фазе. С увеличением усилия затяжки эти компоненты становятся противоположными по фазе.

8. В общем случае зависимость коэффициента относительного рассеяния энергии от усилия затяжки в стыке при возбуждении в нем нормальных колебаний обратно пропорциональна - с увеличением нормального давления в контакте рассеяние энергии уменьшается.

9. Для многоконтактной системы, нагруженной постоянной нормальной силой и переменной касательной зависимость коэффициента рассеяния энергии от усилия затяжки прямо пропорциональна - с увеличением нормального давления в системе рассеяние энергии колебаний увеличивается.

10.В случае возбуждения в системе тангенциальных колебаний, виброграмма носит более сложный характер. Соотношение собственных частот системы составляет 1:2 (24 и 48 Гц). В этом случае суммарная кривая носит негармонический характер. Низкочастотная компонента «плывет» по высокочастотной компоненте. При этом общая высота суммарной кривой всегда меньше суммы двойных амплитуд входящих в нее компонент.

11.Для упрощения анализа виброграмм тангенциальных колебаний кривая в начальной части разбивается на «широкие» пики, т.е. пики, в пределах которых система совершает один период колебаний по низкочастотной компоненте.

12.При одновременном увеличении нормального и тангенциального давлений рассеяние энергии увеличивается, что в сочетании с оптимизацией качества контактирующих поверхностей является основным путем для управления демпфированием в многоконтактных системах.

13.При заданном неизменном соотношении внешних сил и направлении их действия существует такое расположение контактирующих поверхностей многоконтактной системы,' при котором распределение по граням нормальных (сжимающих) и тангенциальных (сдвигающих) усилий будет придавать системе свойство максимального демпфирования колебаний.

14.В общем случае увеличение сдвигающего усилия приводит к увеличению рассеяния энергии; с увеличением шероховатости поверхности при одинаковых сдвигающих усилиях и коэффициентах трения рассеяние энергии также возрастает. Для материала с большим модулем сдвига при прочих равных условиях величина рассеиваемой в контакте энергии меньше. Т.е. наибольшей характеристикой рассеиваемой энергии обладает чугун.

15.Широкое использование в направляющих скольжения перспективных неметаллических полимерных материалов (наполненных фторопластов) требует проведения широкого спектра экспериментальных работ по определению демпфирующих свойств таких систем. Также необходимы современные исследования по вопросам определения демпфирующих характеристик современных неметаллических станочных направляющих.

16.Направление следов обработки контактирующих поверхностей влияет на абсолютное значение величины рассеяния энергии в контакте, но не влияет на коэффициент относительного рассеяния энергии. В общем случае абсолютное значение параметра рассеяния энергии колебаний больше в случае, когда смещение контактирующих поверхностей происходит вдоль следов обработки, т.к. в этом случае коэффициент трения покоя меньше.

17.Разработанная методика и реализованный на ее основе программный продукт позволяют определять параметры рассеяния энергии колебаний в многоконтактных станочных системах с учетом физико-механических характеристик контактирующих поверхностей, характеристик микро- и макрогеометрии, геометрических и силовых параметров узлов.

18.Реализованная программа позволяет проводить оптимизационные расчеты узлов технологических машин с точки зрения повышения их демпфирующих способностей путем управления геометрическими параметрами системы, ее физико-механическими характеристиками.

19.В части выбора справочного материала отобраны и систематизированы данные по оценке качества поверхностей при различных технологических методах их получения. Подобранные материалы приведены в программе в виде встроенной базы данных.

20.При оценке демпфирования нормальных колебаний в многоконтактной системе чаще всего необходимо учитывать жесткость и демпфирование каждого стыка контакта, что может приводить к значительному усложнению расчета. Анализ виброграмм затухающих колебаний применительно к условиям проведенного эксперимента показывает, что при оценке демпфирования тангенциальных колебаний в многоконтактной системе тангенциальные жесткость и демпфирование можно рассматривать как некоторую приведенную величину для всей системы.

1. Ананьев И.В., Колбин Н.М. Экспериментальные исследования ударного демпфирования колебаний. В кн.: Рассеяние энергии при колебаниях упругих систем. Киев: Наук. Думка, 1966. - С. 277 - 284.

2. Бабушкин А.З., Новиков В.Ю., Схиртладзе А.Г. Технология изготовления металлообрабатывающих станков и автоматических линий. М.: Машиностроение, 1982. 272 с.

3. Бушу ев В.В. Тенденции развития мирового станкостроения // СТИН. -2000.-№9.-С. 20-24.

4. Демкин Н.Б. Контактирование шероховатых поверхностей. М.: Наука, 1970.-223 с.

5. Детали и механизмы металлорежущих станков. Под ред. Д.Н.Решетова. М.: Машиностроение, 1972, т. 1. 664 с.

6. Исследование демпфирования в шпоночных и шлицевых соединениях. Отчет о НИР №361. Л.: ОКБС, 1966. 54 с.

7. Исследование демпфирования вала на конических роликоподшипниках. Отчет о НИР №346. Д.: ОКБС, 1968. 25 с.

8. Исследование демпфирующих свойств конических стыков. Отчет о НИР №241. Л.: ОКБС, 1963.-71 с.

9. Коняхин И.Р. Механические свойства поверхности, проявляющиеся при микросмещении. Труды Сиб. физико-технического ин-та, вып.34, 1955. -С. 80-84.

10. Крагельский И.В., Щедров B.C. Развитие науки о трении. Изд-во АН СССР, 1958.-235 с.

11. Кудинов A.B. Оценка предельной точности направляющих станков // СТИН. 2000. - №5. - С. 3 - 8.

12. Лапидус A.C., Дюшен П.-Ж. Характеристики направляющих их наполненного фторопласта// Станки и инструмент. 1983. - №4. - С. 12 - 15.

13. Левин А.И. Вычислительные аспекты математического моделирования в станкостроении // СТИН. 1999. - №10. - С.5 - 10.

14. Левина З.М. Исследование демпфирования в направляющих и разработка комбинированных направляющих качения-скольжения, обеспечивающих высокое демпфирование и плавность перемещений узлов прецизионных станков. Отчет по теме. М.: ЭНИМС, 1977. 204 с.

15. Левина З.М., Шувалов В.Ю. Исследование и разработка метода расчета демпфирования колебаний в элементах привода подачи прецизионных станков с ПУ. Руководящие материалы. М.: ЭНИМС, 1971.-93 с.

16. Максак В.И. Количественная оценка упругого предварительного смещения при направленной шероховатости поверхности. Изв. Томского политехи. ин-та, 1972, т.225. - С. 26 - 28.

17. Максак В.И. Предварительное смещение и жесткость механического контакта. М.: Наука, 1975. 80 с.

18. Максак В.И. Рассеивание энергии в контакте, имеющем направленность следов обработки. Изв. Томского политехи, ин-та, 1972, т.225 С. 29 -32.

19. Мандельштам Л.И. Лекции по теории колебаний. М.: Наука, 1972. 418 с.

20. Матвеев В.В. К определению контура петли механического гистерезиса // Проблемы прочности. 1973. - №8. - С. 3 - 9.

21. Матвеев В.В. К определению демпфирующих свойств системм с ампли-туднозависимым сопротивлением. // Проблемы прочности. 1970. - №5. -С. 11 - 17.

22. Мэнли Р. Анализ и обработка записей колебаний. М.: Машиностроение, 1972.-368 с.

23. Накладные направляющие из наполненного фторопласта в металлорежущих станках. Методические рекомендации. М.: ВНИИТЭМР, 1988. -44 с.

24. Нашив А., Джоунс Д., Хендерсон Дж. Демпфирование колебаний. М.: Мир, 1988. 448 с.

25. Палочкина Н.В. Экспериментальное исследование демпфирования колебаний в резьбовом соединении. В кн.: Рассеяние энергии при колебаниях упругих систем. Изд-во АН УССР, 1968. - С. 264 - 268.

26. Пановко Я.Г. Внутреннее трение при колебаниях упругих систем. М.: Физматгиз, 1960. 193 с.

27. Пановко Я.Г. Основы прикладной теории упругих колебаний. М.: Маш-гиз, 1957.-336 с.

28. Панчин В.В. О рассеянии энергии при некоторых режимах соударения упругих тел. В кн.: Рассеяние энергии при колебаниях упругих систем. Киев: Наук. Думка, 1966. С. 268 - 276.

29. Писаренко Г.С. Колебания упругих систем с учетом рассеяния энергии в материале. Киев: Изд-во АН УССР 1955. 237 с.

30. Писаренко Г.С. Рассеяние энергии при механических колебаниях. Киев: Изд-во АН УССР 1962. 436 с.

31. Писаренко Г.С., Матвеев В.В., Яковлев А.П. Методы определения характеристик демпфирования колебаний упругих систем. Киев: Наук. Думка, 1976.-88 с.

32. Применение в станках направляющих с накладками из наполненного фторопласта // Станки и инструмент. 1980. - №4. - С. 16 - 17.

33. Пуш A.B. Моделирование и мониторинг станков и станочных систем. // СТИН. 2000. - №9. - С. 12 - 20.

34. Пуш В.Э. Конструирование металлорежущих станков. М.: Машиностроение, 1977. 390 с.

35. Расчеты на прочность в машиностроении / Пономарев С.Д., Бидерман В.Л. и др. М.: Машгиз, 1958.-974 с.

36. Решетов Д.Н. Методы снижения интенсивности колебаний в металлорежущих станках. М.: ЦБТИ, 1950. 68 с.

37. Решетов Д.Н., Левина З.М. Возбуждение и демпфирование колебаний в станках. В кн.: Исследование колебаний металлорежущих станков при резании металлов. М.: Машгиз, 1958. С. 87 - 154.

38. Решетов Д.Н., Левина З.М. Демпфирование колебаний в деталях станков. В кн.: Исследование колебаний металлорежущих станков при резании металлов. М.: Машгиз, 1958. С. 45 - 87.

39. Решетов Д.Н., Левина З.М. Контактная жесткость деталей машин. М.: Машиностроение, 1971. 264 с.

40. Решетов Д.Ш., Левина З.М., Ермаков Г.А. Исследование демпфирования колебаний в станках токарной, фрезерной, шлифовальной групп. М.: ЭНИМС, 1955.-338 с.

41. Решетов Д.Ш., Левина З.М., Ермаков Г.А. Исследование демпфирования колебаний в станках токарной, фрезерной, шлифовальной групп. Приложение. М.: ЭНИМС, 1955. 338 с.

42. Рыжов Э.В. Контактная жесткость деталей машин. М.: Машиностроение, 1966. 196 с.

43. Рыжов Э.В. Технологические методы повышения износостойкости деталей машин. Киев: Наук. Думка, 1984. 271 с.

44. Сергеев С.И. Демпфирование механических колебаний. М.: Физматгиз, 1959.-408 с.

45. Сорокин Е.С. Внутреннее и внешнее сопротивление при колебаниях твердых тел. М.: Госстройиздат, 1957. 66 с.

46. Сорокин Е.С. Динамический расчет несущих конструкций зданий. М.: Госстройиздат, 1956. -340 с.

47. Сорокин Е.С. К вопросу неупругого сопротивления строительных материалов при колебаниях. Научное сообщение ЦНИПС, вып. 15. М.: Госстройиздат, 1954. 76 с.

48. Сорокин Е.С. К теории внутреннего трения при колебаниях упругих систем. М.: Госстройиздат, 1960. 132 с.

49. Сорокин Е.С. Методы экспериментального определения внутреннего трения в твердых телах. В кн.: Вопросы прикладной механики, вып. 193. М.: МИИТ, 1964. - С. 5 - 41.

50. Суслов А.Г. Технологическое обеспечение контактной жесткости соединений. М.: Наука, 1977. 104 с.

51. Трение, изнашивание и смазка: справочник. В 2-х кн. / Под ред. И.В.Крагельского, В.В.Алисина. М.: Машиностроение, 1978. Кн. 1, 1978.-400 с.

52. Уэллс Э., Хешбаргер С. Microsoft Excel 97: разработка приложений: пер. с англ. СПб.: БХВ - Санкт-Петербург, 1998. - 624 с.

53. Флеклер А.А. Демпфирование сложных тангенциальных колебаний в плоских неподвижных стыках деталей станков. Автореф. дисс. канд. техн. наук. М.: ЭНИМС, 1969. 27 с.

54. Чернышев В.М., Цветков Д.И. Вибропоглощающие свойства композитных материалов. В кн.: Рассеяние энергии при колебаниях упругих систем / Материалы XIII Респ. научн. конф. Киев: Наук. Думка, 1985. С. 208-215.

55. Чернянский П.М., Распопова Н.П. Расчет давления в сопряжениях деталей технологического оборудования // СТИН. 1999. - №5. - С. 15 - 18.

56. Шевчук С.А. Материалы для станкостроения и технология формирования их эксплуатационных свойств // СТИН. 1996. - №3. - С. 9 - 14.

57. Шувалов В.Ю., Левина З.М., Решетов Д.Н. Демпфирование продольных колебаний в передачах винт-гайка и опорах винтов // Станки и инструмент. 1973. - №4. с. 4 - 7.