автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.02, диссертация на тему:Разработка конструкций, исследования, расчеты и стандартизация муфт с неметаллическими упругими элементами.

ВВЕДШИЕ 2

Глава I. Динамические нагрузки в приводах машин и влияние упругих муфт на снижение уровня динамических нагрузок.4

1.1. Свойства упругих муфт .5

1.2. Расчет нагрузок, действующих на муфты.$

1.2.1. Нагрузки при жесткой муфте.7

1.2.2. Нагрузки при упругой муфте.8

Решениями ХХУ1 съезда КПСС предусмотрено создание и внедрение принципиально новых орудий труда, материалов, технологических процессов, превосходящих по своим технико-экономическим показателям лучшие отечественные и мировые достижения, повышения эффективности машин, улучшение их качества и надежности. Решение этой важнейшей народохозяйственной задачи во многом зависит от повышения долговечности деталей и узлов машин.

Муфты, входящие во многие машины, являются ответственными узлами, часто определяющими нагруженность деталей машины.

Одним из основных принципов конструирования машин является принцип узловой компоновки. Конструирование машин из отдельных узлов, желательно нормализованных, является важным средством повышения экономичности производства и эксплуатации машин. Отдельные узлы, как правило, цри этом соединяют между собой муфтами.

Разнообразие задач - выполняемых муфтами в машинах вызвало многообразие типов муфт и непрерывное появление новых конструкций. Важное значение имеет группа упруго-компенсирующих муфт, обладающих универсальными свойствами. Эти муфты, постоянно соединяя валы, обеспечивают снижение вредных динамических нагрузок в приводах и компенсацию взаимных смещений и перекосов соединяемых валов

I].

В настоящее время во всех технически развитых странах весьма широкое распространение получили упругие муфты с неметаллическими упругими элементами. Эти муфты относительно просты по конструкции, дешевы в изготовлении, не требуют особого ухода при эксплуатации, являются эффективным средством снижения вредных динамических нагрузок, компенсируют значительные перекосы и смещения осей соединяемых валов.

Таким образом упруго-компенсирующие муфты, обладая невысокой стоимостью по сравнению со стоимостью всей машины, способствуют, при правильном их применении^повышению надежности и срока службы машины.

Резиновый или резинокордный упругий элемент муфты является наиболее напряженной деталью, испытывающей циклические деформации при действии переменного крутящего момента, а также при расцент-ровке валов, соединенных муфтой. Поэтому актуальной становится проблема исследования циклической прочности эластомеров, применяемых в муфтах, и разработка методов их расчета на прочность.

Настоящая работа посвящена разработке конструкций, исследованию, расчетам и стандартизации наиболее перспективных упругоком-пенсирующих муфт, а также разработке методов расчета на прочность при циклическом нагружении полимерных материалов, применяемых для изготовления упругих элементов муфт.

На защиту выносятся: разработка методов расчета на прочность к при циклическом нагружении полимерных материалов, применяемых для изготовления упругих элементов муфт; расчеты на прочность и жесткость отдельных перспективных конструкций упругих муфт; комплекс испытательных машин для исследования упругокомпенсирующих муфт; итоги стандартизации исследованных муфт.

Выполненная работа будет способствовать решению экономически важной проблемы - созданию в стране централизованного изготовления муфт.

ВЫВОДЫ

1. Упругие муфты, при правильном их применении, способствуют снижению вредных динамических нагрузок в приводах машин, повышая тем самым надежность и долговечность машин.

2. Создан комплекс испытательных машин, позволяющий проводить всесторонние исследования упруго-компенсирующих муфт.

Гамма из трех машин предназначена для определения срока службы упруго-компенсирующих муфт, испытывающих комплексное нагружение постоянным и переменным крутящим моментом при взаимных смещениях полумуфт - радиальном, угловом, осевом, а также при повышенных и пониженных температурах. Использование методики планирования эксперимента позволило определять степень влияния различных факторов, постоянный и переменный крутящий момент, радиальное и угловое смещение полумуфт, температуру окружающей среды, степень сжатия борта упругого элемента и др./ на ресурс муфты. Результаты таких испытаний муфты с упругими элементами в виде лепестков были использованы при разработке ХТа 95.100000-83.

Машина для динамических испытаний позволяет определять демпфирующую способность ьдгфт путем получения изображения петли гистерезиса, а также получения характеристики муфты при нагружении переменным крутящим момштом с регулируемой частотой и амплитудой.

3. Прочность муфт при действии переменного крутящего момента и смещениях ттолуцуфт определяется прочностью упругого элемента, что делает актуальной разработку расчетов на прочность резин (эластомеров) при циклическом нагружении с характерными для упругих элементов муфт малыми амплитудами.

4. Эластомеры состоят из гибких макромолекул, свернутых в переплетенные друг с другом клубки. В результате поперечной сшивки макромолекул в процессе вулканизации образуется нерегулярная трехмерная сетка, являющаяся силовой основой эластомера, и понятие отдельной макромолекулы теряет смысл.

5. Длины макромолекул в исходном полимере различны и описываются функциями распределения случайных величин. Кроме больших макромолекул, принимающих участие в образовании сетки, при вулканизации, имеется низкомолекулярная фракция составлящая пассивную часть полимера. Каждая молекула при образовании сетки имеет два свободных конца, которые также относятся к пассивной части. При расчетах на прочность следует учитывать пассивную часть полимера.

6. Структуру трехмерной нерегулярной сетки при расчетах на прочность следует характеризовать тремя случайными параметрами: контурной длиной цепи между узлами, кратчайшим расстоянием между узлами и углом наклона прямой, соединяющей узлы,к направлению деформирования.

7. Рассмотрение структуры такой сетки вулканизата позволяет определить вероятность разрушения перегруженных цепей за цикл нагружения. Разрушение доли цепей сетки за каждый цикл наг-ружения вызывает усталостное изменение структуры.

8. При циклическом нагружении происходит постепенное усталостное изменение структуры эластомера в результате неравномерного распределения нагрузки по цепям нерегулярной сетки, а также рассеивания механической энергии, приводящей к повышению температуры эластомера.

9. Учет процесса накопления повреждений в некотором характерном объеме позволяет построить зависимость числа циклов до разрушения от амплитуды циклических деформаций и построить кривую усталости для заданного процента разрушения силовых цепей сетки. Таким образом получены аналитические зависимости для одноосного напряженного состояния, позволяющие учитывать процесс накопления повреждений в зависимости от структуры материала.

10. При деформировании эластомеров с конечной скоростью наиболее вытянутые (самые жесткие) цепи дополнительно нагружаются распределенной нагрузкой, зависящей от скорости деформирования, величины эффективного коэффициента внутреннего трения и средней жесткости участков цепи между зацеплениями, образованными силами Ван-дер-Ваальса.

11. Применение линейной теории тонких тороидальных оболочек вращения к расчету муфт с торообразным резиновым упругим элементом позволило представить результаты численных решений задач в виде номограмм, удобных в практическом пользовании. Определены напряжения в резиновой оболочке и жесткостные характеристики муфты при кручении, взаимном смещении полумуфт и действии центробежных нагрузок на резиновую оболочку.

12. Выполнен тепловой расчет муфты с торообразным резиновым упругим элементом. Решена одномерная стационарная тепловая задача с внутренними источниками тепла, распределенными пропорционально напряжениям. Расчет подтвержден экспериментом.

13. При расчетах муфты с упругими элементами в виде резиновых лепестков был применен метод последовательных нагружений. На каждом шале нагружения решалась система линеаризованных неоднородных дифференциальных уравнений. При нагружении вращающейся муфты крутящим моментом решалась двухпараметрическая задача - нелинейная задача, показавшая что: при росте частоты вращения от 0 до 1000 об/мин крутильная жесткость муфты возрастает в 1,3-1,45 раза; муфта вызывает появление значительных осевых сил, зависящих от частоты вращения; влияние крутящего момента на появление осевых сил значительно меньше; использованный при решении системы дифференциальных уравнений метод начальных параметров применим до частот вращения 1250 об/мин и углах поворота полумуфт до 30°; при больших значениях параметров следует применять метод ортопрогонки Годунова. Расчет подтвержден экспериментом на невращаицейся муфте.

Решена геометрически нелинейная задача напряженно-деформированного состояния лепестков при осевом смещении полумуфт.

14. Выполнен тепловой расчет муфты с упругими элементами в виде резиновых лепестков. Решена двумерная стационарная тепловая задача с внутренними источниками тепла, распределенными пропорционально напряжениям. Расчет подтвержден экспериментом.

15. Расчеты муфт с резинометаллическим упругим элементом в виде конической шайбы включали расчеты в линейной постановке на прочность и жесткость при кручении и радиальных и угловых смещениях полумуфт. Проведены эксперименты, подтверждающие расчеты.

16. Для нахождения полей температур в резине при циклическом кручении муфты, была решена двумерная стационарная задача с источниками тепла, равномерно распределенными по объему резины. Расчет подтвержден экспериментом.

17. Выбор оптимальных размеров цуфт был обеспечен проведением всех расчетов на ЭВМ. Разработанные программы могут быть использованы при расширении типажа муфт и при дальнейшем совершенст вовании конструкций.

18. Ресурсные испытания цуфт с резиновой конической шайбой показали, что муфты могут успешно применяться в приводах е> крутильными колебаниями, одаако их применение для компенсации расцентровок валов нежелательно.

Разработан размерный ряд на муфты с резиновой конической шайбой.

19. Расчеты муфт с резино-кордными упругими элементами включают определение жесткостных характеристик при действии крутящего момента и смещениях полумуфт. Влияние корда учитывалось либо введением в расчет приведенного модуля упругости, определяемого при различных типах деформации, либо непосредственным учетом механизма взаимодействия нитей корда с резиновой матрицей.

20. Проведенные исследования и расчеты муфт позволили оптимизировать их конструкции. Это привело к повышению ресурса муфт, снижению вредных дополнительных нагрузок на валы от муфт. На усовершенствования конструкций муфт получены авторские свидетельства.

21. На основании проведенных расчетов и исследований были разработаны: ГОСТ 28884-82, Муфты упругие с торообразной оболочкой; ОСТ 95.10000-83,Муфты упругие лепестковые; написан Справочник по муфтам.

1. Поляков B.C. ,Барбаш И.Д. »Ряховский O.A. Справочник по муфтам. Л.Машиностроение, 1979. - 343 с.

2. Пономарев С.Д., Бидерман В.Л.,Лихарев К.К. и др. Расчеты на прочность в машиностроении. М.: Мавгиз, 1959, т.Ш - III8 с.

3. Левин А.И., Математическое моделирование в исследованиях и проектировании станков. М.: Машиностроение, 1978. - 183 с.

4. Мучник А.Я., Парфенов К.А. Общая электротехника. М.: Высшая школа, 1967. - 446 с.5. 0Ltlr¿c¿)O. WüiKuncj dt*, Kuppéung ßclm Anjcthten mil ¿ÜKÍromctoten. — AniiUfaiediniK, /V~4J 1Z) 168-73.

5. Вульфсон И.И. ,Коловский M.3. Нелинейные задачи динамики машин. Л.: Машиностроение, 1968. - 365 с.

6. Síeínhllp&i W. Stcp> cLtzhmcmenie und faKÍOXen in Ma seht n en an ¿agen míí dreh statten' und cL^ehUadiithth Kupplungen. — Masch in tn-maiKÍ, 196$3 7i} N-39, s' 4S-51.

7. Ряховский O.A., Иванов С.С., Ганулич И.К. Машина для ресурсных испытаний муфт. М.: МВТУ, № 3 с.85.

8. A.c. 265509 (СССР). Стенд для испытаний упругокомпенси-ругацих муфт на выносливость/ Д.Н.Решетов,O.A.Ряховский, С.С.Иванов, Опубл. в БИ, 1970, № 15.

9. Решетов Д.Н.»Ряховский O.A. Исследование демпфирующих свойств муфт с неметаллическими упругими элементами. Известия вузов. Машиностроение, 1966, № 5, с.30-32.

10. Адлер Ю.П.,Маркова Е.В.,Грановский D.B. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий. М.: Наука, 1976.280 с.-29512. Гуль В.Е. Структура и прочность полимеров. М.: Химия, 197I. - 344 с.

11. Зуев Ю.С. Разрушение эластомеров в условиях характерных для эксплуатации. М.: Химия, 1980. - 288 с.

12. Гуль В.Е.,Кулунев В.Н. Структура и механические свойства полимеров. М.: Высшая школа, 1979. - 352 с.

13. Трелоар Л. Физика упругости каучука. М.:Иностранная литература, 1953. - 240 с.

14. Тобольский А. Свойства и структура полимеров. М.: Химия, 1964. - 322 с.

15. Вентцель B.C. Теория вероятностей. М.: Наука, 1969.576 с.

16. Кауш Г. Разрушение полимеров . М.: Мир,1981,- 440 с.

17. Энергетические эффекты, связанные с процессом разрушения полимеров /Ь.К.Годовский, В.С.Попков, А.И.Слуцкер и др.-Фиэика твердого тела, 1971, т.13, № 8 с.2283-2295.

18. Данн Д. Старение и деструкция.- В кн.: Стереоренуляр-ные каучуки.- М.: Мир,ч.II ,1981 , с.95-168.

19. Эйрих Ф.Р.,Смит Т.Л. Молекулярно- механические аспекты изотермического разрушения эластомеров. В кн.: Разрушение.- / Разрушение. - М.: Мир,т.7» ч.П, 1976 , с. 105-381.

20. Дырда В.И. Резиновые элементы вибрационных машин. -Киев: Наукова .пумка, 1980. 99 с.

21. Бвртенев Г.М.,Зуев Е.С. Прочность и разрушение высокоэластичных материалов. М.: Химия, 1964. - 310 с.

22. Резниковский М.С.Дукомская А.И. Механические испытания каучука и резины. М.: Химия, 1964,- 499 с.

23. Решетов Д.Н. ,Ряховский O.A. К расчету муфт с торообраз-ным резино-кордным упругим элементом .-Вестник машиностроения, 1965, № 4, с.20-26.-29626. М»хеев M.A. Основы теплопередачи. M.: Госэнерго-издат, 1956. - 310 с.

24. Потураев В.Н. Резиновые и резино-металлические детали машин. М.: Машиностроение, 1966. - 180 с.

25. Ферри Дж. Вязкоупругие свойства полимеров. М.: Иностранная литература, 1963. - 535 с.

26. Ряховский O.A., Иванов С.С., Нестеров А.Р. Экспериментальное определение коэффициента теплоотдачи торообразного резинового упругого элемента муфты. Известия вузов. Машиностроение, 1972, № 6, с.39-42.

27. Потураев В.Н.,Дцрда В.И. Резиновые детали машин.- М.: Машиностроение, 1977. 215 с.

28. Потураев В.Н., Дцрда В.И.,Круш И.И. прикладная механика резины. Киев: Наукова думка, 1980. - 250 с.

29. Присс Л.С. Состояние, задачи и основные направления развития молекулярной теории вязкоупругих и прочностных свойств резин. : Сб. трудов /Ин-т шинной пр-ти, 1977, с.9-29.

30. Дгадкин Б.А., Донцов A.A., Шершнев В.А. Химия эластомеров. М.: Химия, 1981. - 374 с.

31. Огибалов П.М.,Ломакин В.А.,Кишкин Б.П. Механика полимеров. М.: Московский университет , 1975. - 528 с.

32. Сбытов Ю.Г. Статистическая теория строения полимерных сеток. В сб. : Химия и технология высокомолекулярных соединений. - М.: ВИНИТИ, 1975, т.6 с.38-59.

33. У орд И. Механические свойства твердах полимеров. -М.: Химия, 1975. 297 с.

34. Чарзби А.Ядерные излучения и полимеры. М.: Ин.лит, 1962. - 520 с.-29738. Иркак В.И., Розенберг Б.А., Ениколонян Н.С. Сетчатые полимеры. М.: Наука, 1979. - 248 с.

35. Лукомская А.И., Евстратов В.Ф. Основы прогнозирования механического поведения каучуков и резин. М.: Химия, 1975 -360 с.

36. Лаврентьев М.А., Шабат Б.В. Методы теории функций комплексного переменного.-М.: Наука, 1965. 716 с.

37. Анго А. Математика для электро и радиоинженеров. М.: Наука, 1967. - 780 с.

38. Мышкис А.Д. Математика. Специальные курсы. М.: Наука. 1971. - 632 с.

39. Градштейн И.С., Рыжик И.М. Таблицы интегралов, сумм, рядов и произведений. М.: Наука, 1971. - 1108 с.

40. Мартьянова Г.В. Расчет упругого элемента муфты. Расчеты на прочность: Сб.статей/ под ред. Н.Д. Тарабасова. М.: Машиностроение, 1978, вып. 19, с.34-38.

41. Краус Дж. Вязкоупругие свойства растворных эластомеров.-В кн.: Стереорегулярные каучуки. М.: Мир, 1981. - 512 с.

42. Присс Л.С., Попов В.Ф. Молекулярная теория вязкоупру-гих свойств полимеров. В сб.: Химия и технология высокомолекулярных соединений. - M : ВИНИТИ, 1975, т.6, 169 с.

43. Sandez4 ¡f.F. et oí. fr Potym. 49S8} A-Z, 6,967.

44. Rouse RE.Ji.J.Chtm.Phy^m3,2f,ï272.

45. Чернина B.C. Статика тонкостенных оболочек вращения. -М.: Наука, 1968. 455 с.

46. Новожилов В.В. Теория тонких оболочек. Л.: Судпромгиз, 1962. - 431 с.

47. Тимошенко С.П. Пластинки и оболочки. М. - Л.: Гостехиз-дат, 1948. - 420 с.-29852. Булгаков В.H. Статика тороидальных оболочек. Киев: АН УССР, 1962. - 153 с.

48. Демидович Б.П., Марон И.А., Шувалова Э.З. Численные методы анализа. М.: Наука, 1967. - 368 с.

49. Справочник машиностроения. В 3-х т. МаЩгиз, 1951 -т.З/Под ред. C.B. Сереисена, Н.С.Ачеркана. 1951. - 1098 с.

50. Иванов С.С. Исследование упругой муфты высокой компенсирующей способности. Дисс. канд. техн.наук. - М.,1972. -202 с.

51. Муфты упругие с торообразной оболочкой. Методы расчетов /ШЙЙЙНМАШ. Руководители работы: Ряховский O.A.,Гонюков В.И., Михайлов Ю.К. М.: Ротапринт ШИИНМАШ, 1976. - 48 с.

52. Ляв А. Математическая теория упругости. М. - Л.: СЕТИ, 1935. - 674.с.

53. Бидерман ВД. Механика тонкостенных конструкций . М. : Машиностроение, 1977. - 488 с.

54. Бабушка И., Витасек Э., Прагер М, Численные процессы решения дифференциальных уравнений. М. : Мир, 1969. - 368 с.

55. Богачев В.Н. Создание и исследование упругой муфты с повышенной компенсирующей способностью. Дис. канд. техн. наук. - M., 1983. - 178 с.

56. Лыков A.B. Теория теплопроводности. М.: Высшая школа, 1967. - 599 с.

57. Лавендел Э.Э. Расчет резинотехнических изделий. -М. : Машиностроение, 1976. 232 с.

58. Михлин С.Г. Вариационные методы в математической физике. -М.: Наука, 1970 512 с.

59. Канторович Л.В., Крылов В.И. Приближенные метода высшего анализа, М. Л.,: Фзматгиз, 1968. - 708 с.

60. A.c. 571637 (СССР). Упругокомпенсационная муфта/ А.Р.

61. Нестеров, O.A. Ряховский Опубл. в Ш, 1978, № 15.

62. Тарнопольский D.M., Розе A.B. Особенности расчета деталей из армированных пластиков. Рига.:3инатне, 1969- 274 с.

63. Ряховский O.A., Богачев В.Н. Определение крутильной податливости и компенсирующей способности лепестковых муфт с резинокордными упругими элементами. -Труды /МВТУ, 1980, # 333,

64. Работоспособность и надежность деталей машин, с. II8-I50. .

65. Расчеты на прочность в машиностроении/ С.Д.Пономарев, В.Л.Бидерман, К.К.Лихарев и др. под ред. С.Д. Пономарева. -М.: Матгиз, т.2, 1958. 974 с.

66. Автомобильные шины /В.Л.Бидерман, Р.Л.Гуслицер, С.П.Захаров и др.; под общ. ред. В.Л.Бидермана. М.: Госхимиздат, 1963. - 384 с.

67. Лапин A.A. плоская деформация резинокордовой ткани. -Труды /МВТУ, 1955, № 46, с. 87-99.

68. Решетов Д.Н.»Ряховский O.A.»Иванов С.С. Тепловой расчет муфты с торообразным резиновым упругим элементом. Изв. вузов. Машиностроение, 1969, № 12, с.18-21.

69. Тимошенко С.П.»Войновский-Кригер С. Пластинки и оболочки. М.: Физматиздат, 1963-543 с.

70. A.c. 549613 (СССР). Эластичная муфта /O.A.Ряховский. Ю.К.Михайлов, В.С.Поляков и др. Опубл. в Ш, 1977, № 20.-30076. A.c. 349819 (СССР). Торовый упругий элемент эластичной муфты /О.А.Ряховский, Д.Н.Решетов, С.С.Иванов. Опубл. в Ш, 1973, № 16.

71. A.c. 323576 (СССР). Упругая муфта /О.А.Ряховский, С.С.Иванов, В.А.Палочкин. Опубл. в БИ, 1972, № 5.

72. Разработка государственного стандарта и рекомендаций на метод расчета муфт с торообразным элементом вогнутого профиля. Отчет /МВТУ, ВНИИРедуктор. Руководители темы С.С. Иванов, О.А.Ряховский. ГР № 0I82009233I, инв. № 125 -М., 1984, 91 с.

73. A.c. 659806 (СССР). Упруго-компенсационная муфта / О.А.Ряховский, Д.В.Голованов, В.Н.Богачев. Опубл. в Бй, 1980, № 3.

74. Решетов Д.Н.,Ряховский O.A.»Богачев В. Н.Упругая муфтас повышенной компенсирующей способностью. Вестник машиностроения, 1985, № 2, с.3-8.

75. Решетов Д.Н, Ряховский O.A.»Нестеров А.Р. Исследование компенсирующих свойств муфты. Известия вузов. Машиностроение, 1976, № 5, с. 48-51.

76. Ряховский O.A.,Решетов Д.Н.,Нестеров А.Р. Исследование муфты с резинометаплическим упругим элементом. Вестник машиностроения, 1979, № 3, с.25-28.

77. Вольненштейн М.В. Конфигурационная статистика полимерных цепей. М. - Л.: Акад.наук, 1959. - 466 с.

78. Липатов Ю.С., Нестеров А.Е.»Гриценко Т.М. Справочник по химии полимеров. Киев: Наукова думка, 1971. -536 с.

79. Решетов Д.Н.,Ряховский O.A.,Иванов С.С. К вопросу расчета муфты с торообразным резиновым упругим элементом. Известия вузов. Машиностроение, 1970, № I, с.28-31.

80. Решетов Д.Н.,Ряховский O.A.»Иванов С.С. Тепловой расчет муфты с торообразным резиновым упругим элементом. Известия вузов. Машиностроение, 1969, № 12, с.25-27.1. Стр.