автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.02, диссертация на тему:Развитие метода расчета нагрузочной способности полиэксцентриковых соединений с натягом

На правах рукописи

ЧУХЛАНЦЕВ ЕВГЕНИЙ СЕРГЕЕВИЧ

РАЗВИТИЕ МЕТОДА РАСЧЕТА НАГРУЗОЧНОЙ СПОСОБНОСТИ ПОЛИЭКСЦЕНТРИКОВЫХ СОЕДИНЕНИЙ С НАТЯГОМ

Специальность: 05.02.02 -Машиноведение, системы приводов и детали машин

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

005545350

Ижевск 2013 г.

005545350

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

Научный руководитель

доктор технических наук, профессор Щенятский Алексей Валерьевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор член-корреспондент Академии технологических наук РФ Колмогоров Герман Леонидович Пермский национальный

исследовательский политехнический университет, г. Пермь

кандидат технических наук, Гаффанов Рустем Флитович начальник отдела инженерных расчетов ЗАО «ЭНЕРГОПОТОК», г. Москва

Ведущая организация

Институт механики УрО РАН г. Ижевск

Защита диссертации состоится «24» декабря 2013 г., в 13:00 часов, на заседании диссертационного совета Д 212.065.01 в ФГБОУ ВПО «ИжГТУ имени М.Т. Калашникова» по адресу: 426069, Россия, г. Ижевск, ул. Студенческая, 7.

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

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

Автореферат разослан «19» ноября 2013 г.

Г

Учёный секретарь диссертационного совета доктор технических наук,

профессор Малина Ольга Васильевна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации. В современных условиях становится актуальной политика модернизации промышленности на основе создания новых поколений машин, технологий и материалов, обладающих качественно новыми функциональными свойствами, повышенными эффективностью, надежностью, эксплуатационными характеристиками. В конструкциях современных машин и механизмов широкое применение получили соединения с гарантированным натягом, благодаря возможности восприятия и передачи различных по величине, направлению и времени действия нагрузок. Анализ существующих типов соединений показал, что можно выделить в отдельную группу многоконтактные соединения, среди которых особое место занимают полиэксцентриковые соединения с натягом (ПЭСН), имеющих переменную жесткость как по длине соединения, так и по радиусу.

Анализ достижений отечественных и зарубежных научных школ показал, что для расчета полиэксцентриковых соединений применялись аналитические методы разработанные Г.В. Колосовым, Д.И. Шерманом, Н.Д. Тарабасовым, Е.И. Берникером, а так же численные A.JI. Квитка, П.П. Ворошко, И.В. Абрамовым, A.B. Щенятским, Е.В. Кулишом и др.

Большинство аналитических методов отечественных и зарубежных научных школ основано на использовании методов теории упругости с применением теории функции комплексного переменного. Использование итерационного подхода к решению задач аналитическими методами не позволяет оценить с достаточной точностью нагрузочную способность (НС) ПЭСН.

Практика расчетов ПЭСН свидетельствует об использовании конструкторами и технологами предприятий различных методик для неравножестких соединений с натягом, не учитывающих особенностей полиэксцентриковых соединений. Следовательно, развитие теории и методик расчета НДС и НС полиэксцентриковых соединений с натягом является актуальной задачей для машиностроения.

Цель работы — обеспечение требуемой нагрузочной способности полиэксцентрикового соединения с натягом на основе разработанной математической модели расчета с учетом уровня НДС и форм сопрягаемых деталей, позволяющей повышать эффективность и надежность машин с конструкциями ПЭСН и имеющей существенное значение для рассматриваемой области знаний.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

• Определить погрешность аналитического метода расчета НС и НДС неравножестких соединений.

• Разработать математическую модель ПЭСН, учитывающую переменные по радиусу и углу жссткосгные характеристики сопрягаемых деталей, взаимное проскальзывание сопрягаемых деталей и условия контактного взаимодействия с учетом неравномерного распределения Р, и, как следствие, неравномерного уровня коэффициента трения.

• Установить влияние конструктивных параметров на нагрузочную способность и НДС ПЭСН.

• В рамках натурного эксперимента выполнить проверку выдвинутого в ходе исследования предположения о величине нагрузочной способности ПЭСН.

• Разработать методику расчета нагрузочной способности полиэксцентриковых соединений с натягом на основе математической модели, учитывающей особенности распределения контактного давления и коэффициента трения.

• Сформулировать рекомендации по проектированию полиэксцентриковых соединений с натягом с оптимальной нагрузочной способностью.

Объект и предмет исследования. Объектом исследования являются поликонтактные неравножесткие соединения с натягом. Предметом исследования являются нагрузочная способность и напряженно-деформированное состояние деталей полиэксцентриковых

соединений с натягом.

Методы исследования. Теоретическое исследование и вычислительные эксперименты проведены при использовании МКЭ для неравножестких задач теории упругости. Экспериментальное исследование осуществлено на лабораторной установке, оснащенной электронно-усилительной и регистрирующей аппаратурой. Обработка результатов проводилась на ЭВМ.

Достоверность и обоснованность результатов. Достоверность обеспечивается заданной погрешностью вычислений в пределах 5 % и сходимостью результатов вычислительного и натурного экспериментов. Расхождение экспериментальных и расчетных данных составляет 4-10 %. Обоснованность подтверждается сходимостью результатов применения математической модели ПЭСН, учитывающей переменные по радиусу и углу жесткостные характеристики сопрягаемых деталей, взаимное проскальзывание сопрягаемых деталей и условия контактного взаимодействия на основе современных представлений теории упругости, механики деформируемого твердого тела и численных методах решения прикладных задач.

Научную новизну составляют:

1. Математическая модель ПЭСН, учитывающая переменные по радиусу и углу жесткостные характеристики деталей, вызывающие при их сопряжении неравномерное распределение Рк в различных условиях контактного взаимодействия, что учитывается при определении /1р, НС и НДС составных частей.

2. Закономерности изменения нагрузочной способности от относительного положения составных частей соединения и их геометрии, подтвержденная численными и натурными экспериментами.

3. В ходе натурного эксперимента подтверждены результаты, полученные в рамках численного моделирования, и установлено, что НС является нелинейной функцией от относительного угла поворота сопрягаемых деталей и их форм, оказывающих совместное влияние на распределение контактного давления и коэффициента трения. Нагрузочная способность соединения определялась по наименьшей прочности поликонтактного соединения, которому соответствует соединение «промежуточная деталь - внешняя деталь» для соотношений

Бг/Б, =1,5; еЮ, =0,1.

4. Методика численного расчета нагрузочной способности и НДС поликонтактных неравножестких соединений, под влиянием конструктивных факторов, технологии сборки, на основе конечно-элементных моделей для различных условий эксплуатации.

5. Рекомендации по выбору конструктивных параметров (величин натягов в посадках, выбора материалов для изготовления составных частей соединения, оптимальных форм деталей, величин эксцентриситета деталей, величины температуры распрессовки для материалов различных коэффициентов теплового расширения) поликонтактного неравножесткого соединения с целью повышения максимальной нагрузочной способности посадок и снижения концентрации напряжений в опасных участках деталей.

На защиту выносятся:

• Математическая модель ПЭСН, учитывающая переменные по радиусу и углу жесткостные характеристики сопрягаемых деталей, взаимное проскальзывание сопрягаемых деталей и условия контактного взаимодействия, вызывающее неравномерное распределение Рк и, как следствие, неравномерный уровень коэффициента трения.

• Закономерности изменения нагрузочной способности ПЭСН в зависимости от относительного положения составных частей соединения.

• Результаты экспериментального исследования нагрузочной способности (на сопротивление осевому сдвигу) ПЭСН в зависимости от относительного положения составных частей соединения, подтверждающие адекватность предложенной методики расчета и выдвинутых в ходе теоретического исследования предположений.

• Рекомендации по проектированию полиэксцешриковых соединений с

оптимальной нагрузочной способностью.

Практическая ценность для теории. Предложенная методика численного расчета нагрузочной способности и НДС поликонтактных неравножестких соединений с натягом позволяет выбрать необходимые и достаточные для обеспечения требуемой НС величины натяга и длины сопряжения с учетом особенностей геометрии деталей, условий эксплуатации и способов обеспечения относительного смещения деталей.

Практическая ценность для практики. Разработанные рекомендации по выбору конструктивных параметров (величин натягов в посадках, выбора материалов для изготовления составных частей соединения, оптимальных форм деталей, величин эксцентриситета деталей, величины температуры распрессовки) поликонтакгаого неравножесткого соединения позволяют повысить максимальную нагрузочную способность посадок и снизить концентрации напряжений в опасных участках составных частей соединения.

Реализация результатов. Результаты диссертационного исследования применены при проектировании делительной головки для производства штампов. Применение поликонтактных неравножестких соединений с учетом разработанных рекомендаций позволило разработать абсолютно новую конструкцию делительной головки, что, в свою очередь, позволило снизить материалоемкость и трудозатраты при производстве штампов. Результаты исследования используются в учебно-образовательном процессе кафедры «Управление качеством» ИжГТУ им. М.Т. Калашникова при выполнении курсовых и дипломных проектов по курсу «Основы конструирования», «Конструирование мехатронных

моулей». Также использование результатов диссертационного исследования позволило спроектировать механизм перекоса для колонн направленного бурения, что позволило получать наклонно-направленные нефтяные и газовые скважины безподъемным способом.

Апробация работы. Основные научные положения и практические результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на научных конференциях: на международной конференции «Инновационные технологии - теория и практика». Дрезден, Германия, 2010 г.; на XII выставке-сессии инновационных проектов в рамках республиканского форума студентов, магистрантов, аспирантов и молодых ученых вузов, г. Ижевск, ИжГТУ, 2011; на Х1П выставке-сессии инновационных проектов в рамках республиканского форума студентов, магистрантов, аспирантов и молодых ученых вузов, г. Ижевск, ИжГТУ, 2012; на 5-й Всероссийской конференции «Будущее машиностроения России», Москва, 2012 г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 статей, из них 6 статей в изданиях, рекомендованных ВАК РФ и получено 2 авторских свидетельства на полезную модель РФ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов, рекомендаций, библиографического списка из 127 наименований, содержит 139 страниц машинописного текста, 60 иллюстраций, 8 таблиц, 3 приложения.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении даны определения объекта и предмета исследования, представлены краткая история развития, современное состояние и существующие недостатки объекта исследования, обоснована актуальность, сформулированы научная проблема, цель и задачи диссертационной работы, определены методы исследования, показаны новизна и практическая ценность работы, представлена краткая аннотация диссертационной работы по главам.

В первой главе проведен анализ уровня теории и прикладных исследований полисоединений с натягом, полиэксцентриковых соединений с натягом, их типов, конструкций и технологии сборки.

На основе анализа выделены основные подходы к методам расчета нагрузочной способности посадок с натягом, определены преимущества и области применения конструкций полиэксцентриковых соединений и проведена классификация конструкций ПЭСН.

Теоретическое исследование обычных соединений с натягом при упругих деформациях было проведено Лямэ более ста шпидесяти 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. Развитием аналитических методов расчета напряжений в соединения занимались отечественные ученые Е.И. Берникер, И.С. Гречищев, A.A. Ильяшенко, Н.Д. Тарабасов и другие.

Вопросам повышения нагрузочной способности (НС) и исследования прочности соединений с натягом посвящены работы JI.T. Балацкого, B.C. Клековкина, Ю.В. Турыгина, Н.С. Беляева, Н.К. Баранова, Е.Ф. Бежелуковой, Г. А. Бобровникова и других.

В настоящее время исследования по тематике прессовых соединений наиболее активно ведутся в технических университетах Москвы, Ижевска, Омска, 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 нагрузочной способности, математического моделирования, разработаны методики расчета автофретированных, гидропрессовых, многослойных соединений с натягом.

Анализ отечественных и зарубежных научных работ показывает, что задачи механики деформируемого твердого тела решались аналитическими методами, с помощью теории комплексных переменных итерационным методом (Г.В. Колосов, Д.И. Шерман, Н.Д. Тарабасов), численными методами (А.У. Богданович, И.В. Абрамов, A.B. Щенятский, Е.В. Кулиш и др.) в условиях осесимметричного взаимодействия деталей. Ряд принятых допущений, таких как отсутствие проскальзывания сопрягаемых поверхностей в зоне сопряжения, отсутствие учета последовательности сборки полисоединений не позволяют получить достаточно точное решение о НС.

Дальнейший анализ отечественных и зарубежных научных публикаций, диссертаций и авторефератов диссертаций по тематике исследования подтвердил актуальность проблемы исследования и необходимость разработки методики расчета поликонтактных неравножестких соединений с целью определения нагрузочной способности, позволяющей повышать эффективность и надежность машин с конструкциями ПКНС и имеющей существенное значение для рассматриваемой области знаний.

Вторая глава посвящена разработке математической модели расчета НДС и нагрузочной способности полиэксцентриковых соединений с натягом с учетом специфики, заключающейся в переменных по радиусу и углу жесткостных характеристиках сопрягаемых деталей с учетом влияния способов разъединения деталей соединения на их конструктивные особенности и как следствие на коэффициент трения в зонах сопряжения.

Особенности конструктивного исполнения полиэксцентрикового соединения

Детали ПЭСН обладают асимметричностью, имеют конструктивные особенности, влияющие на НС и НДС, могут собираться в произвольном порядке. Следовательно, для дальнейшего анализа конструкции ПЭСН возникает необходимость уточнения ряда конструктивных особенностей данных соединений. В собранном виде ПЭСН представляет собой ассиметричное соединение с натягом, состоящее из нескольких неравножестких деталей (рисунок 1а-в).

Особый интерес представляет исследование нагрузочной способности и НДС составных частей полиэксцентрикового соединения при их различном взаимном расположении (рисунок 1г-е). Число сопрягаемых деталей подобных соединений может варьироваться от трех и более.

Проведенный анализ ПЭСН позволяет сделать вывод о том, что в процессе эксплуатации соединения его нагрузочная способность будет переменной, вследствие неравножесткости деталей, используемых при запрессовке соединения, как с учетом технологического фактора и внешней нагрузки, так и без них.

Г)

Д)

е)

Рисунок 1 - Различные типы конструктивного исполнения полиэксцентрикового соединения: а) неравножесткое по длине; б) неравножесткое по радиусу; в) комбинированное с осевыми упорами; г) симметричное расположение деталей; д) общенаправленное расположение деталей; е) ассиметричное расположение деталей.

Особенности контактного взаимодействия сопрягаемых частей полиэксцентрикового соединения (ПЭСН)

Распределение контактного давления и напряжений между составными частями ПЭСН в основном зависит от натяга и геометрии сопрягаемых деталей. Внешние нагрузки распределяются между составными частями ПЭСН в соответствии с законами механики. С учетом особенностей соединения, а именно возможности изменения своей жесткости в процессе эксплуатации, требуется разработка методики их расчета и проведения дальнейших ! исследований нагрузочной способности.

В рассматриваемом нами случае, в контакте сразу находятся несколько эксцентричных тел (рисунок 1г-е), собранных между собой с натягом в различной последовательности. В процессе сборки ПЭСН в зонах контакта возникают неравномерно распределенные фрикционные силы, обусловленные тем, что охватываемая деталь удлиняется, охватывающая укорачивается, а промежуточная деталь испытывает деформации в зависимости от величин контактных давлений со стороны охватывающей и охватываемой деталей, распределенных неравномерно, что, в свою очередь, оказывает влияние на распределение напряжений в зоне сопряжения деталей соединения.

Из рисунка 1 видно, что значение радиуса, определяющего относительное положение деталей ПЭСН, г, является переменной величиной и зависит от угла относительного расположения сопрягаемых деталей 0 исследуемого соединения. |

п = тлд (1)

Величина контактного давления в каждом сопряжении является величиной переменной и зависит от множества факторов: относительного угла поворота сопрягаемых деталей, величины натяга и длины сопрягаемых деталей.

Рк=/О-;,0;,ад, (2)

где ^ - радиус деталей ПЭСН определяющий их относительное положение; в{ - угол относительного поворота сопрягаемых деталей; Ы* - величина натяга; - длина сопрягаемых деталей.

Последующий анализ приведенных выше факторов позволяет сделать выводы о необходимости использования МКЭ для определения нагрузочной способности ПЭСН. Использование МКЭ позволяет определить распределение контактного давления и узловые силы, возникающие в зонах сопряжения нескольких неравножестких деталей с натягом (рисунок 2).

3

Напр ад пение сборки 1 2

2 1

Рисунок 2 - Варианты сборки ПЭСН

Конечно-элементная постановка задачи позволяет представить уравнения механики деформируемого твердого тела в виде следующей системы уравнений:

(КЮ = {Рх)

[■№2}=№,}, (3)

= {Рз}

где силы в зоне контакта должны соответствовать друг другу [Рц] + = 0 и {Р2]} + {Р3]} = 0 ,

с другой стороны необходимо обеспечить выполнение условий связности перемещений

1*и1+ 1*2«1+ &= Т+ |Д2£|, (4)

Ы+Ы+ь=%+Ы, (5)

1*1« 1+ 1*2,1 + |*2; |+ 1*37 |+

(б)

_ Ni+Nj >у 2 •

где Хи - перемещение Г™ узла 1-й детали в зоне сопряжения со 2-й деталью; Х2{ -перемещение Гто узла 2-й детали в зоне сопряжения с 1-й деталью; ^ - половина натяга в узле; Д2[ - перемещение в узле \ детали 2 от соединения 2 и 3 деталей.

На основе полученных зависимостей (3) - (6) разработана математическая модель (рисунок 3), учитывающая геометрию сопрягаемых деталей, относительный угол поворота сопрягаемых деталей, длину сопрягаемых деталей, физико - механические свойства материалов, величину натяга, конструктивные особенности соединения, способы формирования и обеспечения относительного смещения деталей соединения.

На основе разработанной оригинальной математической модели полиэксцентрикового соединения с натягом был проведен вычислительный эксперимент (рисунок 4), позволивший определить величину и характер распределения давления, вдоль зоны контакта, что, в свою очередь, позволяет нам определить нагрузочную способность ПЭСН при воздействии на него различного вида нагружениями.

МриЩИИ

а)

Рисунок 4 - Распределение напряжений в ПЭСН: а) схема базирования деталей при сборке; б) радиальные напряжения; в) интенсивность распределения напряжений.

-

ВНЕШНЕЕ СОЕДИНЕНИЕ

ПРОМЕЖУТОЧНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ \

Внутренняя контактная задача

< > \ У

ВНУТРЕННЕЕ СОЕДИНЕНИЕ

Условия многосвязного контакта

Т„ ,НС

Связность перемещений

Смазочный слой

Внешние внутренние

Условия контактного ; взаимодействия

нет

Внешняя контактная задача

Управление НС параметрами ТП с помощью /Л Q и схем подвода

Натяг, шероховатость|

Контактная | податливость |

ТС, интенсивность нагрева

Перемещения

кт

IV!

КТ М I

Внешняя нагрузка

Внешние ! Внешнее силовое силы воздействие

Условия контактного взаимодействия

Управление НС; параметрами ТП с помощью схем крепления и сил зажима

Нормальные составляющие

..............I..............

в деталях соединения

Силы трения

КОНСТРУКТОРСКО -ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ МОДУЬ

Управление относительным положением деталей, соединения

Изменение Т"С I Изменение Р и размеров \масла и размеров

МОДУЛЬ УПРАВЛЕНИЯ

Изменение жесткости

Изменение нагрузки

Изменение Нагрузочная

НДС способность

РАСЧЕТ ПЕРЕДАЧИ

Рисунок 3 - Интегрированная математическая модель ПЭСН

А =

Нагрузочная способность полиэксцентрикового соединения

Ранее было установлено, что нагрузочная способность соединения с натягом являете функцией контактного давления, коэффициента трения и геометрических параметро соединения.

Однако, в нашем случае в контакте сразу находится несколько тел, неравножестких п длине, радиусу и углу. Следовательно, способы определения нагрузочной способности предложенные ранее, в данной ситуации будут иметь недостаточную точность.

Для определения нагрузочной способности ПЭСН в осевом направлении д соединения из трех деталей необходимо решить следующую систему уравнений:

С Со ™и

I Гср1^ср1 ) (7)

[ ^ерг^ерг J

где Рк1гу, Рк2ц — контактное давление на соответствующей площадке у рассматриваемь • сопряжений; /тру - коэффициент трения; Т| - радиус деталей ПЭСН; 1 - длина сопрягаемь деталей; 9 - угол относительного поворота сопрягаемых деталей.

При решении системы уравнений (7), для каждой исследуемой зоны контакта ПЭС будут получены различные величины нагрузочной способности. Следовательно, пи значение будет являться нагрузочной способностью всего соединения в целом.

Неравномерное распределение контактного давления, коэффициента трения неравножесткость сопрягаемых деталей по длине и радиусу соединения требу -рассмотрения нагрузочной способности ПЭСН как функции от переменного радиуса, длинь соединения и величины эксцентриситета составных частей соединения:

в случае нагружения осевой силой

л = у(=1 ?]=>< И' ' ' ЛР«' если ^ Тср^сР1}

=1 ЬрАр;< если < Б, • <п • Др,/' ^

в случае нагружения крутящим моментом

Т = У1=1 У>=к г • Р' ' ' еСЛИ - Тср'5срг 1 юл

П [тсрАр£<если < 5> - ^ ■ /тр£/ ' , ^

в случае нагружения изгибающим моментом

М = 0 2- У<=' Т1=к I■ ■ ['' '/тр£'6СЛИ " Тер^ср( 1 по')

в случае сложного нагружения

При расчетах нагрузочной способности МКЭ зона контакта деталей соединения представлена в виде дискретных элементов, а неравномерно распределенная нагруз приводится к силам в узлах.

Дальнейший анализ показал, что значительное влияние на величину нагрузочной пособности оказывает коэффициент трения, зависящий от величины давления в зоне контакта. Для учета переменного коэффициента трения в зоне контакта, обусловленного переменными по радиусу и длине геометрическими характеристиками полиэксцентрикового ¡теравножесткого соединения, воспользуемся методом конечных элементов, позволяющим "читывать, описанные выше факторы.

В третьей главе представлены результаты исследования нагрузочной способности лолиэксцентрикового соединения с натягом численными методами. В рамках натурного эксперимента подтверждены результаты теоретических исследований.

Исследование нагрузочной способности полиэксцентрикового соединения с татягом численными методами

С учетом формул (8) - (11) была определена нагрузочная способность толиэксцентрикового соединения в осевом направлении. На рисунке 5 представлена нагрузочная способность ПЭСН в зависимости от выбранного угла относительных поворотов деталей по внешней поверхности. На рисунке 6 представлена нагрузочная способность ПЭСН в зависимости от выбранного угла относительных поворотов деталей по внутренней поверхности.

о,ч>ад.

Рисунок 5 - Нагрузочная способность ПЭСН в зависимости от выбранного угла относительных поворотов деталей по внешней поверхности

Рисунок 6 - Нагрузочная способность ПЭСН в зависимости от выбранного угла относительных поворотов деталей по внутренней поверхности

Экспериментальное исследование нагрузочной способности полиэксцентрикового соединения с натягом

С точки зрения эксплуатации с течением времени режимы нагружения ПЭСН могут меняться. Следовательно, при использовании полученного ранее графика нагрузочной способности ПЭСН в зависимости от выбранного угла относительных поворотов деталей (рисунок 5, б) можно выбирать режимы нагружения соединения в процессе его дальнейшей эксплуатации.

Для экспериментального исследования по разработанным эскизам деталей изготовлено 10 комплектов соединений (рисунок 7). Сборка соединений производилась термическим

Для серии экспериментов по, определению нагрузочной

способности в зависимости от относительного положения

сопрягаемых деталей соединения, принято два варьируемых фактора: величины натягов зон посадок ПЭСН и величины относительного поворота деталей соединения. Факторы регулировались минимальными и максимальными допустимыми для упругой зоны деформаций Рисунок 7 - Комплект деталей ПЭСН для значениями для каждой из экспериментального исследования контактных зон. Такие параметры

соединений как: длины деталей, диаметр внутренней детали оставались детерминированными.

Математические методы планирования эксперимента и статистической обработки их результатов применяются на всех этапах исследования.

Согласно данным натурных экспериментов построены графики нагрузочной] способности ПЭСН по внутренней и внешней поверхностям (рисунок 8).

Средние расхождения теоретических данных для метода конечных элементов с результатами натурных экспериментов 8%, что указывает на достаточную точности совпадения теоретических изысканий в рамках диссертационного исследования.

Адекватность полученных уравнений регрессии для определения нагрузочной способности ПЭСН по данным натурного эксперимента была проверена по критерию Фишера. Вычисленное значение критерия меньше табулированного значения для 5%-го уровня значимости. Следовательно, полученные уравнения регрессии адекватно описываю:; серию натурных экспериментов.

Зависимость нагрузочной способности полиэксцентрикового соединения от четырех варьируемых экспериментальных факторов: натяг N1 в посадке 1 и натяг N2 в посадке 2 имеет линейный характер, поворот внутренней детали относительно промежуточной (рисунок 9а), поворот промежуточной детали относительно внешней (рисунок 96).

способом.

ар

Следовательно, делаем вывод, что повышение величины нагрузочной способности ПЭСН в основном обеспечивается в большей мере увеличением натяга в посадке 1 и в посадке 2. В соответствии с представленными графиками, так же делаем выводы о том, что относительное положение внутренней детали (рисунок 9а) оказывает малое влияние на общую нагрузочную .способность соединения. Относительное положение промежуточной детали (рисунок 96) оказывает значительное влияние на общую нагрузочную способность соединения.

Нагрузочная способность ПЭСН по внешней б) поверхности

Нагрузочная способнсть ПЭСН по внутренней поверхности

110,6

ь

0,0006

0,0009 0,0012 0,0015

£>1 о2

70,6 60,6

0,0006

01+02

0,0009 0,0012 «I Л^ 01 02

^ 0,0003

- Натурный эксперимент

- Метод конечных элементов

Рисунок 8 - Нагрузочная способность ПЭСН: а) по внутренней поверхности; б) по внешней поверхности

Вычислительные и натурные эксперименты позволили выявить и установить закономерности изменения НС и НДС от конструкторских и технологических параметров, разработать рекомендации по их расчету и выбору.

Э) Р = «а,1Чтзх) б) Р = ПР, Мтах)

13000 Т.....—...............—......-.....................-..............—

—4—• Натурный эксперимент МКЭ

Рисунок 9 - Зависимость НС ПЭСН от факторов эксперимента:

а) поворот внутренней детали относительно промежуточной; б) поворот промежуточной детали относительно внешней.

В четвертой главе представлено практическое применение результатов теоретических и экспериментальных исследований.

Апробация результатов исследования реализована в расчете делительной головки, позволившая определить работоспособность изделия, при требуемых условиях эксплуатации на основе расчетной нагрузочной способности соединения. Конструкция делительной головки, состоящая из трех эксцентриков, собранных с натягом, и поворотных механизмов, создавалась таким образом, чтобы обеспечить наибольшую точность воспроизводимой траектории при фрезеровании штампа.

Математическая модель на основе разработанной методики расчета позволила промоделировать полный цикл процесса сборки делительной головки. Для обеспечения многократной собираемости и разбираемое™ тепловым способом в процессе эксплуатации сопрягаемые детали делительной головки были изготовлены из различных марок стали. Такой выбор обуславливается различным по величине коэффициентом теплового расширения для выбранных марок стали (внутренняя деталь - 60, 38ХА; промежуточная деталь - 20, 15К, 20К; внешняя деталь - 40, 08).

Далее на предприятии - заказчике были проведены натурные испытания созданной ранее делительной головки для сравнения данных полученных при расчете нагрузочной способности на основе созданной ранее методики и данных натурного эксперимента. В результате проведения натурного эксперимента была установлена нагрузочная способность в осевом направлении по внешней контактной поверхности (промежуточная деталь - внешняя деталь) в размере 43700 Н, М^., = 9000 Нм, по внутренней контактной поверхности (внутренняя деталь - промежуточная деталь) способна выдержать нагрузку в 82200 Н, М«^ = 8713 Н м.

В результате средние расхождения теоретических данных с натурным экспериментом составили не более 8 % (рисунок 10), что указывает на достаточную точность расчетов на

нм

-»-Экспериментальная кривая -«-Теоретическая «ривая

Рисунок 10 - Диаграмма распрессовки по внешней контактной поверхности (промежуточна деталь - внешняя деталь)

Представленные рекомендации предназначены для конструкторов и технологов с елью реализации качественных конструкций и эффективных технологий сборки новых и сплуатации существующих делительных головок на основе ПЭСН:

1. Наиболее эффективным является сочетание натяга N1 = 50 мкр. в посадке нутренняя деталь - промежуточная деталь, натяга Ы2 = 153 мкр. в посадке промежуточная еталь - внешняя деталь, величине эксцентриситета составных частей соединения еЛ)1 аходящейся в пределах от 0,025 до 0,0075 и температурой распрессовки равной 290 - 310 °С.

2. Определены материалы, необходимые для изготовления составных частей оединения: внутренняя деталь - сталь 60,38ХА; промежуточная деталь - сталь 20,15К, 20К; нешняя деталь — сталь 40,08.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

. Разработана методика численного расчета нагрузочной способности и НДС олиэксцентриковых соединений с натягом, под влиянием конструктивных факторов, на снове конечно-элементных моделей. В методике реализовано решение поликонтактной адачи, с учетом сложной геометрии деталей, различных физико-механических свойств атериалов и возможным многообразием взаимного положения деталей. . Математическая модель ПЭСН, учитывающая переменные по радиусу, длине и углу есткостные характеристики сопрягаемых деталей, неравномерное распределение онтактного давления по площадям контактирующих поверхностей, особенности онтактного взаимодействия сопрягаемых деталей позволяет определить НС и оценить лияние величин натягов и относительного положения деталей с высокой точностью, асхождение результатов полученных численным моделированием и кспериментальным исследованием составило не более 8%.

. В ходе натурного эксперимента наблюдалось, полученное в рамках численного оделирования, явление падения нагрузочной способности ПЭСН при относительном овороте деталей на угол а = 0°, р = 180°. А также было доказано, что при приложении агрузки, превышающей нагрузочную способность соединения, вначале произойдет аспрессовка посадки «промежуточная - внешняя деталь» при соотношении Ог^ = 1.5, /0( = 0.1. Явления, наблюдаемые в ходе эксперимента, наглядно доказывают декватность разработанной методики расчета и ее эффективность, при проектировании онструкций и моделировании технологических процессов сборки и эксплуатации олиэксцентриковых соединений с натягом современных машин, приборов и ппаратуры.

. Сформулированы рекомендации по выбору конструктивных параметров (величин натягов в посадках, выбора материалов для изготовления составных частей соединения, оптимальных форм деталей, величин эксцентриситета деталей, величины температуры распрессовки) полиэксцентрикового соединения с целью повышения максимальной нагрузочной способности посадок и снижения концентрации напряжений в опасных участках деталей.

5. Результаты диссертационной работы внедрены при разработке конструкции и технологии сборки делительной головки ОАО «Ижнефтемаш».

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИСЕРТАЦИИ Публикации в рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК РФ:

1. Чухланцев Е.С., Щенятский A.B. Разработка бурильной колонны с двухконтурным гидравлическим отклонителем направленного бурения. Интеллектуальные системы в производстве. Научно-практический журнал.-Ижевск: Изд-во ИжГТУ ,-2010-№1(15). - С. 182-186.

2. Chukhlancev E.S., Shchenyatsky A.V. NEW TECHNOLOGY OF DIRECTIONAL DRILLING IN OIL EXTRACTING. Transfer inoväcii. Vedecky - prakticke casopisu.- Kosiciach, No. 18/2010.-p. 71-73.

3. Чухланцев E.C., Щенятский A.B., Анализ конструкций эксцентриковых механизмов и существующих методов расчета их нагрузочной способности. Интеллектуальные системы в производстве. Научно-практический журнал.-Ижевск: Изд-во ИжГТУ .-2011.-№2(18). - С. 188-193.

4. Чухланцев Е.С., Щенятский A.B., ПОЛИКОНТАКТНЫЕ НЕРАВНОЖЕСТКИЕ СОЕДИНЕНИЯ С НАТЯГОМ И АНАЛИЗ ИХ НАГРУЗОЧНОЙ СПОСОБНОСТИ. Интеллектуальные системы в производстве. Научно-практический журнал. — Ижевск: Изд-во ИжГТУ,- 2012,- №2(20). - С. 80-84.

5. Чухланцев Е.С., Щенятский A.B., ИССЛЕДОВАНИЕ НАГРУЗОЧНОЙ СПОСОБНОСТИ ПОЛИКОНТАКТНОГО НЕРАВНОЖЕСТКОГО СОЕДИНЕНИЯ С НАТЯГОМ ЧИСЛЕННЫМИ МЕТОДАМИ. Интеллектуальные системы в производстве. Научно-практический журнал. - Ижевск: Изд-во ИжГТУ, 2013 №1(21). - С. 167-170.

6. Чухланцев Е.С., Щенятский A.B., ИССЛЕДОВАНИЕ НАГРУЗОЧНОЙ СПОСОБНОСТИ ПОЛИКОНТАКТНОГО НЕРАВНОЖЕСТКОГО СОЕДИНЕНИЯ С НАТЯГОМ. Вестник ИжГТУ. Научно-практический журнал. — Ижевск: Изд-во ИжГТУ, 2013 № 4(22). - принято к публикации

Основные публикации в других изданиях:

1. Galikeev I.A., Chukhlancev E.S., Shchenyatsky A.V. Intellectual Drilling Colums and Information Technologies in Oil Extracting. International Workshop "Innovation Information Technologies - Theory and Practice".- Dresden: September 06-10,2010,- p. 208-210.

2. Chukhlancev E.S., Shchenyatsky A.V., ANALYSIS OF THE DESIGN OF ECCENTRIC MECHANISMS AND EXISTING METHODS OF THEIR LOAD CAPACITY CALCULATION.

iird Forum of Young Researchers. In the framework of International Forum "Education Quality -012". Publishing House of ISTU,2012, p. 265-272.

. Чухланцев E.C., Щенятский A.B., АНАЛИЗ КОНСТРУКЦИЙ И ЗАДАЧИ РОЕКТИРОВАНИЯ ПОЛИКОНТАКТНЫХ ЭКСЦЕНТРИКОВЫХ МЕХАНИЗМОВ. XL еделя науки СПбГПУ: материалы международной научно-практической конференции. . XXI. - СПб.: Изд- во Политехи, ун- та, 2011. - с .36-37.

. Chukhlancev E.S., Shchenyatsky A.V., Calculation of load capacity of poly contact of rigid joints nevenly. STROJARSTVO STIUOTRENSTVI, marec - brezen 2012, cislo 3, Zaregistrovane MK SR, EV 3440/09 ISSN 1335 - 2938, tematicka skupina: A/7.

5. Чухланцев E.C., Щенятский A.B., ТЕРМИЧЕСКИЕ ПОЛИКОНТАКТНЫЕ НЕРАВНОЖЕСТКИЕ СОЕДИНЕНИЯ С НАТЯГОМ И АНАЛИЗ ВОЗМОЖНОСТИ ИХ ВОССТАНОВЛЕНИЯ. Будущее машиностроения России: Материалы 5-й Всероссийской конференции молодых ученых, 26-29 сентября 2012 г., г. Москва: ATM России, 2012 - С. 290-291.

6. Чухланцев Е.С., Щенятский А.В., ПОДХОДЫ К ОПРЕДЕЛЕНИЮ НАГРУЗОЧНОЙ СПОСОБНОСТИ ПОЛИКОНТАКТНЫХ НЕРАВНОЖЕСТКИХ СОЕДИНЕНИЙ С НАТЯГОМ. Будущее машиностроения России: Материалы 5-й Всероссийской конференции молодых ученых, 26-29 сентября 2012 г. [Электронный ресурс], г. Москва: ATM России, 2012. - 1 электрон, опт. диск (CD-ROM).

Авторские свидетельства и патенты:

1. Управляемый механизм перекоса: патент на полезную модель Рос. Федерация / Чухланцев Е.С., Щенятский A.B. № 111878 от 27 декабря 2011 г.

2. Управляемый механизм перекоса: патент на полезную модель Рос. Федерация / Чухланцев Е.С., Щенятский A.B. № 115812 от 10 мая 2012 г.

Отпечатано в авторской редакции с оригинал-макета заказчика

Подписано в печать 11.11.2013. Формат 60x84 '/i6. Тираж 100 экз. Заказ № 1753.

Типография ФГБОУ ВПО «Удмуртский государственный университет» 426034, Ижевск, ул. Университетская, 1, корп. 2. Тел. 68-57-18.

ФГБОУ ВПО Ижевский государственный технический университет

имени М.Т. Калашникова

На правах рукописи

УДК 621.88.084.1

РАЗВИТИЕ МЕТОДА РАСЧЕТА НАГРУЗОЧНОЙ СПОСОБНОСТИ ПОЛИЭКСЦЕНТРИКОВЫХ СОЕДИНЕНИЙ С НАТЯГОМ

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

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук,

профессор Щенятский А.В.

Ижевск 2013

Введение 5

Глава 1 Анализ современного состояния теории и 12 практики полиэксцентриковых соединений с натягом

1.1 Анализ современного состояния практики поликонтактных 13 соединений с натягом

1.2 Существующие методы расчета НДС и нагрузочной 20 способности полиэксцентриковых соединений с натягом

1.2.1 Анализ аналитических методов расчета НДС и нагрузочной 20 способности полиэксцентриковых соединений с натягом

1.2.2 Анализ численных методов расчета НДС и нагрузочной 23 способности полиэксцентриковых соединений с натягом

1.3 Условия эксплуатации и требования, предъявляемые к 33 конструкциям полиэксцентриковых соединений с натягом

1.4 Выводы и постановка задач исследования 37 Глава 2 Развитие метода расчета полиэксцентриковых 40 соединений с натягом

2.1 Конструктивное исполнение и нагрузочная способность 41 полиэксцентрикового соединения с натягом

2.2 Особенности работы полиэксцентрикового соединения с 45 натягом

2.3 Особенности контактного взаимодействия сопрягаемых 48 частей полиэксцентрикового соединения с натягом

2.4 НДС и контактные давления деталей полиэксцентрикового 59 соединения с натягом

2.5 Нагрузочная способность полиэксцентрикового соединения 67 с натягом

Выводы 69

Глава 3 Исследование нагрузочной способности 70

полиэксцентрикового соединения с натягом

3.1 Исследование нагрузочной способности 70 полиэксцентрикового соединения с натягом численными методами

3.2 Экспериментальное исследование нагрузочной способности 84 полиэксцентрикового соединения с натягом

3.2.1 Методика экспериментального исследования 85

3.2.1.1 К выбору геометрии и физико-механических свойств деталей 85

3.2.1.2 К выбору варьируемых факторов 87

3.2.1.3 Формирование матрицы планирования эксперимента 90

3.2.2 Подготовка и выполнение эксперимента 92

3.2.3 Обработка результатов эксперимента 98 Выводы 104 Глава 4 Практическая апробация результатов работы 105

4.1 Особенности расчета соединений делительной головки 106

4.2 Расчет полиэксцентриковых соединений с натягом 108 делительной головки

4.3 Практические рекомендации по выбору конструктивных 113 параметров полиэксцентриковых соединений с натягом

4.3.1 Рекомендации по выбору конструктивных параметров и 114 технологии сборки - разборки полиэксцентриковых соединений с натягом

4.3.2 Рекомендации по выбору температурных режимов 116 распрессовки полиэксцентриковых соединений с натягом

4.3.3 Рекомендации по выбору геометрических параметров 118 составных частей полиэксцентриковых соединений с

натягом

Выводы 120

Заключение 121

Библиографическое описание 123

Приложение 1 Результаты измерения микрогеометрии 135

деталей ПЭСН

Приложение 2 Патенты на полезную модель «Управляемый 136 механизм перекоса»

Приложение 3 Акт внедрения ОАО «Ижнефтемаш» 138

ВВЕДЕНИЕ

В современных условиях становится актуальной политика модернизации промышленности с целью создания новых поколений машин, технологий и материалов, обладающих качественно новыми функциональными свойствами и совершенствования существующих машин и технологий, обладающих повышенными эффективностью, надежностью, эксплуатационными характеристиками и меньшей ресурсоемкостью. В конструкциях современных машин и механизмов широкое применение получили соединения с гарантированным натягом, благодаря возможности восприятия и передачи произвольно направленных высоких по величине нагрузок.

Особый класс соединений с гарантированным натягом составляют многослойные соединения, состоящие из прослойки и двух равножестких деталей, собранных с натягом. Особое внимание вызывают полиэксцентриковые соединения с натягом (ПЭСН), имеющие минимум три неравножесткие детали в контакте. Такой тип соединений с натягом может иметь широкое распространение в машиностроении благодаря ряду существенных преимуществ. К ним относятся: упрощенный монтаж-демонтаж; обеспечение требуемого эксцентриситета отверстия относительно внешней поверхности охватывающей детали; экономия дорогостоящих материалов; использование подобных соединений в качестве различных по виду и конструктивному исполнению механизмов перекоса [57, 58].

Применение полиэксцентриковых соединений с натягом значительно повышает ремонтопригодность сложных конструкций посадок с натягом, и зачастую является наиболее рациональным и надежным конструктивным решением для передачи осевых сил и крутящих моментов в узлах различных машин и механизмов. Однако широкому применению полиэксцентриковых соединений с натягом препятствуют отсутствие результатов исследования и методик расчета их напряженно-деформированного состояния (НДС) и нагрузочной способности (НС). Исследование и разработка методики расчета

ПЭСН позволят создавать эффективные методы проектирования новых и совершенствования существующих машин и аппаратуры с конструкциями полиэксцентриковых соединений с натягом, ведущих к получению технического и экономического эффекта.

Теоретическое исследование обычных соединений с натягом при упругих деформациях было проведено Лямэ 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 XX-го века. Вопросы технологии прессовых соединений рассмотрены в работах отечественных ученых Б.Ф. Федорова, И.В. Абрамова, Е.И. Берникера, И.С. Гречищева, A.A. Ильяшенко, Г.Я. Андреева, A.B. Щенятского и других.

Вопросам повышения нагрузочной способности (НС) и исследования прочности соединений с натягом посвящены работы J1.T. Балацкого, B.C. Клековкина, Ю.В. Турыгина, Н.С. Беляева, Н.К. Баранова, Е.Ф. Бежелуковой, Г.А. Бобровникова и других.

В настоящее время, на территории бывшего СССР, исследования по тематике прессовых соединений наиболее активно ведутся в технических университетах Москвы, Ижевска, Омска, 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 нагрузочной способности, математического моделирования, разработаны методики расчета автофретированных, гидропрессовых, многослойных соединений с натягом.

Анализ достижений отечественных и зарубежных научных школ показал, что для расчета полиэксцентриковых соединений применялись аналитические методы разработанные Г.В. Колосовым, Д.И. Шерманом, Н.Д. Тарабасовым, Е.И. Берникером, а так же численные A.J1. Квитка, П.П. Ворошко, И.В. Абрамовым, A.B. Щенятским, Е.В. Кулишом и др.

Большинство аналитических методов отечественных и зарубежных научных школ основано на использовании методов теории упругости с применением теории функции комплексного переменного. Использование итерационного подхода к решению задач аналитическими методами не позволяет оценить с достаточной точностью нагрузочную способность (НС) ПЭСН.

Практика расчетов ПЭСН свидетельствует об использовании конструкторами и технологами предприятий различных методик для неравножестких соединений с натягом, не учитывающих особенностей полиэксцентриковых соединений. Следовательно, развитие теории и методик расчета НДС и НС полиэксцентриковых соединений с натягом является актуальной задачей для машиностроения.

Отличительной особенностью ПЭСН является неравномерное распределение контактных давлений вследствие геометрических особенностей составных частей соединения (наличие эксцентриситета). Учет перераспределения величин контактных давлений в зонах сопряжения деталей позволяет определять зоны концентрации напряжений в сопряженных деталях и оптимизировать нагрузочную способность соединений. На прочность в осевом направлении полиэксцентриковых соединений с натягом влияет большое количество факторов. Наиболее значимыми из них является ряд конструктивных параметров и относительное положение составных частей соединения, исследуемых в рамках диссертации.

Несмотря на широкое распространение полиэксцентриковых соединений с натягом в конструкциях машин и механизмов, применение методик расчета, конструктивных и технологических параметров, моделей оценки напряженного состояния и нагрузочной способности носит эмпирический характер. Используемые подходы к проектированию, изготовлению и эксплуатации ПЭСН могут приводить к недостаткам в плане надежности, безопасности и стабильности работы машин.

Целью диссертационной работы является обеспечение требуемой нагрузочной способности полиэксцентрикового соединения с натягом на основе разработанной математической модели расчета с учетом уровня НДС и форм сопрягаемых деталей, позволяющей повышать эффективность и надежность машин с конструкциями ПЭСН и имеющей существенное значение для рассматриваемой области знаний. Обозначенная цель предполагает проведение теоретического и экспериментального исследования полиэксцентриковых соединений с натягом в зависимости от относительного положения его составных частей. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

• Определить погрешность аналитического метода расчета НС и НДС неравножестких соединений.

• Разработать математическую модель ПЭСН, учитывающую переменные по радиусу и углу жесткостные характеристики сопрягаемых деталей, взаимное проскальзывание сопрягаемых деталей и условия контактного взаимодействия с учетом неравномерного распределения Рк и, как следствие, неравномерного уровня коэффициента трения.

• Установить влияние конструктивных параметров на нагрузочную способность и НДС ПЭСН.

• В рамках натурного эксперимента выполнить проверку выдвинутого в ходе исследования предположения о величине нагрузочной способности ПЭСН.

• Разработать методику расчета нагрузочной способности полиэксцентриковых соединений с натягом на основе математической модели, учитывающей особенности распределения контактного давления и коэффициента трения.

• Сформулировать рекомендации по проектированию полиэксцентриковых соединений с натягом с оптимальной нагрузочной способностью.

Научная проблема диссертационного исследования состоит в исследовании и определении нагрузочной способности полиэксцентрикового соединения с натягом на основе разработанной оригинальной математической модели и экспериментальных исследований с учетом возможных способов изменения жесткости конструкции во время эксплуатации.

Необходимо проведение теоретических исследований и вычислительных экспериментов для неравножестких и объемных многосвязных контактных задач механики деформируемого твердого тела при упругом состоянии материалов деталей ПЭСН. Решение задач базируется на известных теоретических положениях механики твердого деформируемого твердого тела, конструкционной прочности, теории малых упруго-пластических деформаций, корректного применения метода конечных элементов (МКЭ). Экспериментальное исследование проводится на гидравлическом прессе с измерительной аппаратурой. На всех этапах вычислительного и натурного эксперимента используются методы математического планирования эксперимента и обработки его результатов.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов, рекомендаций, библиографического списка из 127 наименований, содержит 139 страниц машинописного текста, 60 иллюстраций, 8 таблиц, 3 приложения.

В первой главе проведен анализ результатов теоретических и прикладных исследований соединений с натягом, поликонтактных равножестких и неравножестких соединений, их типов, конструкций, а так же технологий сборки, оказывающих влияние на нагрузочную способность.

На основе анализа, выделены основные подходы к методам расчета нагрузочной способности посадок с натягом, определены преимущества и области применения конструкций полиэксцентриковых соединений с натягом и сформулирована классификация конструкций ПЭСН.

Во второй главе разработана методика расчета НДС и нагрузочной способности полиэксцентриковых соединений с натягом с учетом специфики, заключающейся в переменных по радиусу, углу и длине жесткостных характеристиках сопрягаемых деталей, вызывающих неравномерное распределение Рк и как следствие не равномерного уровня коэффициента трения [34, 41]. Показана возможность эффективной интеграции разработанной оригинальной математической модели ПЭСН и метода конечных элементов. Разработаны алгоритм и методика расчета нагрузочной способности полиэксцентрикового соединения с натягом с учетом относительного положения его составных частей методом конечных элементов.

Третья глава посвящена проверке теоретических изысканий по исследованию и развитию методики определения нагрузочной способности ПЭСН численными и экспериментальными методами. Серия экспериментов позволила оценить влияние относительного положения составных частей соединения на величину нагрузочной способности (сопротивление осевому сдвигу) соединения, собранного термическим методом. Прочность соединения в рамках натурного эксперимента определяется путем измерения усилий распрессовки в посадке внутренняя - промежуточная деталь и промежуточная - внешняя деталь. В заключении проводится сравнение данных вычислительного и натурного экспериментов по определению нагрузочной способности ПЭСН в зависимости от относительного положения составных частей соединения. Проведенные исследования подтвердили выдвинутые в рамках теоретического исследования предположения.

В четвертой главе изложена практическая апробация результатов теоретического исследования. Выполнен расчет полиэксцентриковых соединений с натягом делительной головки по разработанной оригинальной методике. Промышленная апробация реализована в качестве инженерного расчета делительной головки. Представлены рекомендации по

проектированию полиэксцентриковых соединений с натягом с оптимальной нагрузочной способностью.

В заключение представлена общая характеристика работы и основные выводы по результатам диссертации.

На защиту выносятся:

• Математическая модель ПЭСН, учитывающая переменные по радиусу и углу жесткостные характеристики сопрягаемых деталей, взаимное проскальзывание сопрягаемых деталей и условия контактного взаимодействия, вызывающее неравномерное распределение Рк и, как следствие, неравномерный уровень коэффициента трения.

• Законометрности изменения нагрузочной способности ПЭСН в зависимости от относительного положения составных частей соединения.

• Результаты экспериментального исследования нагрузочной способности (на сопротивление осевому сдвигу) ПЭСН в зависимости от относительного положения составных частей соединения, подтверждающие адекватность предложенной методики расчета и выдвинутых в ходе теоретического исследования предположений.

• Рекомендации по проектированию полиэксцентриковых соединений с оптимальной нагрузочной способностью.

Автор выражает благодарность научному руководителю, доктору технических наук, профессору Алексею Валерьевичу Щенятскому и коллегам по работе за помощь в подготовке диссертации.

Глава 1 Анализ современного состояния теории и практики полиэксцентриковых соединений с натягом

1.1 Анализ современного состояния практики поликонтактных соединений с натягом

Соединения с натягом представляют собой посадки, в которых при насадке охватывающей детали с меньшим диаметром отверстия на охватываемую деталь, благодаря силе упругости на поверхностях сопряжения возникает сила сцепления, препятствующая взаимному смещению деталей.

Дальнейшие исследования предметной области показали, что сопрягаемые поверхности деталей, собираемых с натягом, могут быть цилиндрические или конические, иногда эллиптические или другой формы. Эти высоконадежные соединения позволяют передавать значительные осевые усилия и крутящие моменты. Они просты по конструкции и технологии изготовления [25, 26]. Значительный вклад в теорию и технологию соединений с натягом внесли работы отечественных ученых Г.Я. Андреева, Е.И. Берникера, A.A. Ильяшенко, Б.Ф. Федорова, И.В. Абрамова, A.B. Щенятского, B.C. Клековкина, Ю.В. Турыгина , Г.А. Бобровникова, Е.Ф. Бежелуковой , И.И. Воячек, Н.С. Сивцева и др .

Особый кл