Введение к работе
Актуальность работы. Проблемы контактирования деталей машин и элементов конструкций являются неотъемлемой частью проблем прочности и динамики машин, приборов и аппаратуры. Экономические потребности в машиностроении предъявляют все большие требования к разрешению проблем механики контактного взаимодействия элементов конструкций, работающих в условиях динамических нагрузок.' Работа машин и механизмов в условиях больших нагрузок, скоростей, вибраций, при использовании новых материалов в значительной степени зависит от процессов, протекающих в контакте элементов машиностроительных конструкций.
Одной из главных задач современного машиностроения является повышение точности и долговечности выпускаемых машин. Особенно актуально это для точного приборостроения и прецизионного машиностроения. Выше перечисленные, показатели определяются преаде всего достаточной статической и динамической жесткостью, плавностью перемещения деталей относительно друг друга, уровнем вибрации и шума.
Установлено, что на долю контактных деформаций приходится до 80 от общих деформаций.- Поэтому вопросы, связанные с контактным взаимодействием, деталей, прежде всего, динамической контактной жесткостью и диссипацией энергии, являются весьма важными для развития науки и техники. Исследования контактного взаимодействия взаимно перемещающихся элементов, в результате которых в зоне контакта возникают силы трения, обусловлены все возрастающий потребностями борьбы с. экономическими потерями от трения.
Проблеме контактного взаимодействия элементов посвящено большое количество работ. Большинство из них относится к решению статических контактных задач теории упругости. Определенное -число работ посвящено исследованию динамических контактных задач для определенных видов сочленений. Однако, в большинстве случаев, они. относятся к рассмотрению простых схем контактирования, что не снижает их научную ценност-ь. В настоящее время в механике контактного взаимодействия существует тенденция к дальнейшему изучению закономерностей процессов протекающих в зоне контакта сопряженных тел. в условиях динамических нагрузок. В связи с чем, контактное взаимодействие условно-неподвижных соединений в
- г -
условиях динамической работы и было выбрано главным объектом исследования в настоящей работе.
Постановочный уровень задач контактирования, решаемых для их практического использования, предъявляет жесткие требования к математической модели динамического контактирования тел: необходима пространственная постановка задачи, учет всех особенностей деформирования материала, учет внешних факторов возбуждения. Необходимо единообразие в.подходе при рассмотрении видов и форм контактных колебаний, а также доступность и простота использования метода решения динамических контактных задач в инженерной практике и достаточно хорошая сопоставимость с практическими данными. Метод расчета характеристик контактного взаимодействия в условиях вибрации и удара должен органично сочетаться с подходом применения классических контактных задач в расчетах на прочность в машиностроении. А в применении к исследованию шероховатых поверхностей, необходимо органическое сочетание с разработанными теориями контактирования шероховатых поверхностей.
Отсутствие приемлемой для широкого инженерно-технического круга метода-прикладного расчета контактных деформаций, диссипации механической энергии и устойчивости механическогго контакта при динамических нагрузках является актуальной научной проблемой, имеющей важное народнохозяйственное значение, решение которой позволяет ускорить научно-технический прогресс в машиностроении.
Целью данной работы является решение сформулированной научной проблемы, имеющей важное народно-хозяйственное значение, заключающееся: в разработке нового метода расчета контактного деформирования условно-неподвижных соединений машиностроительных конструкций, работающих в условиях динамических нагрузок; в выяснении характерных закономерностей динамического контактирования и определение путей эффективного их практического использования.
Поставленная в работе цель достигалась решением следующих основных задач, определивших и последовательность изложения диссертационной работы.
1. Создать математическую модель упругого условно-неподвижного контакта тел, работающих в условиях ударного, вибрационного и случайнного нагружения. Разработать обобщенный метод расчета динамических тангенциальных и нормальных контакных деформаций сжатых тел и подтвердить его достоверность. Этот метод должен
описывать поведение подвижных тел на любой стадии контактного взаимодействия.
-
Развить метод расчета на сжато-сдвигаемый контакт как гладких тел. так и шероховатых.
-
Получить формулы для расчета предварительного смещения, контактных деформаций и диссипации механической энергии при свободных и вынужденных контакных колебаниях подвижного тела контактной пары.
-
Определить закономерности поведения условно-неподвижных контактирующих тел, в пределах трения покоя, при действиях возмущающих нагрузок как в нормальном, так и в тангенциальном направлении, а также при одновременном их воздействии.
-
Получить данные по амплитудно-частотным характеристикам механического контакта твердых тел в зависимости от физико-механических свойств контактирующих тел. условий контактирования, шероховатости, параметров внешего возбуждения.
-
Разработать и создать экспериментально-программный комплекс по исследованию динамических контактных взаимодействий твердых тел с целью подтверждения теоретических исследований и созданию пакета прикладных программ (ППП) для проектирования условно-неподвижных соединений машин.
-
Решением практически важных задач, показать пути практического использования метода и подтвердить его научно-практическую значимость.
Научной новизной работы является решение научно-технической проблемы создания метода расчета контактирования элементов машиностроительных конструкций, работающих в динамических условиях:
предложена математическая модель динамического контактного взаимодействия твердых тел в условиях трения покоя, описывающая все стадии контактирования;
разработан численно-аналитический метод расчета нелинейных контактных деформаций и диссипации механической энергии для широкого класса динамических контактных задач;
создана методика определения гармоник свободных и вынужденных контактных колебаний сопряженных гладких и шероховатых тел, от различных видов динамических воздействий;
впервые теоретически и экспериментально получены амплитудно-частотные характеристики механического контакта в широком спектре контактных сопряжений и условий контактирования;
выявлены и описаны закономерности изменения предварительного смещения в контакте разнородных тел при ударных и осциллирующих нагрузках, в нормальном и тангенциальном направлениях;
на основании метода расчета динамического контакта решена задача по определению гистерезисных потерь в контакте;
универсальность предложенного метода позволила распространить его на расчет динамической тангенциальной жесткости, сжато-сдвигаемого контакта;
разработан оригинальный экспериментально-программный комплекс по определению параметров контактных колебательных процессов, при контактировании твердых тел;
разработан програмний комплекс прикладных программ по расчету характеристик динамического контактного взаимодействия.
Научной и практической ценностью предложенного метода решения динамических контактных задач является то. что он. сохраняя и базируясь на структуре упругих аналитических зависимостей расчета статического контакта твердых тел. дает новую область применения классических решений теории упругости в динамической области.
Практическая значимость работы заключается в том, что предложенный численно-аналитический метод расчета контактных деформаций при ударах и вибрациях, является удобным для широкого инженерного использования. Этот метод позволил решить задачу о взаимном влиянии' нормальных и касательных деформаций в каждую единицу времени динамического воздействия, что позволило создавать условно-неподвижные соединения с заданными прочностными и деформационными характеристиками.
Полученные зависимости по определению динамического смещения и сближения контактирующих гладких и шероховатых поверхностей, учитывающие физико-механические свойства материалов, микрогеометрические характеристики поверхностей и фрикционные, позволяют обоснованно подойти к технологическому управлению триботехничес-кими параметрами контакта шероховатых поверхностей.
Полученные формулы для расчета диссипативных характеристик динамического контакта при знакопеременных нормальных и тангенциальных перемещениях могут быть использованы для энергетической оценки малоцикловой усталостной прочности контакта.
Расчетные зависимости по определению динамических контакт-
ных деформаций при одновременном воздействии на контакт тел ударных и вибрационных нагрузок позволяют проектировать сочленения машин, работающих условиях сложных динамических колебаниях.
Практической ценностью работы является также полученные многочисленные данные по АЧХ механического контакта в шроком спектре контактирующих материалов и условий, что позволило впервые оценить резонансные области контактирующих деталей в широком спектре частот и нагрузок.
Созданный экспериментальный и программный комплекс позволяет проводить экспериментальные исследования статических и динамических контактных взаимодействий с различными контактирующими материалами, при различных видах нагружений и разных условиях контактирования. Разработанный пакет прикладных программ (ППП) направлен на унифицирование расчетов при проектировании узлов машин с заданными прочностными, деформационными и диссипатвными свойствами.
Практическая реализация работы. В результате выполнения для Барнаульского ПО КШ "Алтайпрессмаш" в 1988 г.научно-исследовательской работы была внедрена разработка метода расчета контактного взаимодействия частиц сыпучей среды при ударе для снижения фовня вибрации и шума при работе вырубного открытого действия фивошипно-шатунного пресса КЕ 2130. Также в рамках этой работы Зыла проведена оптимизация контактных условий кривошпно-шатун-юй и силовой линии пресса на основании методики по оценке дис-:ипативных характеристик механического контакта в условиях уда->ных нагрузок.
По заказу Алтайского проборостроительного завода в 1989 г. шолнена и подтверждена актом приемки научно-исследовательская іабота по разработке средств снижения вибрации и шума при работе іьітовой машины - универсального кухонного комбайна УКМ "Алтай", іта работа основывалась на применении методики расчета'динами-геских контактных деформаций при циклическом действии возмущаю-[ей нагрузки.
В 1995 г. пакет прикладных программ по расчету нормальных и ангенциальных контактных колебаний, определению диссипации ме-анической энергии при различных программах динамического нагру-:ения и по расчету амплитудно-частотных характеристик механичес-ого контакта в пределах трения покоя был внедрен в Алтайском аучно-исследовательском институте технологии машиностроения при
проектировании сочленений машин малой механизации.
Достоверность результатов работы обеспечивается обоснованным использованием положений контактных задач теории упругости. В частности, расчетный метод базируется на классической теории упругого контактного взаимодействия твердых тел. Решение основные нелинейных дафференциальных уравнений движения контактирующих Tej основано на применении метода разложения в степенные ряда; с обязательным исследованием сходимости и устойчивости решения.
Пакет программ составлен на языке "Tyrbo С ++" для IBM PC совместимых машин и зарегистрирован в РосАПО.
Численно-аналитический метод расчета основывается на решени: классических контактных задач теории упругости Г. Герца и Р.Минд-лина.
Результаты расчетов тестовых задач сопоставлены с имеющимися в литературе данными и выводами работ: А. Ю. йшлшского, Ф.Боу-дена, Д.Тейбора, Р.Харда, И.В.Крагельского, Н.Б.Демкина, К.Л.Джонсона, Н.М.Михина и др. Сопоставление подтвердило достоверность метода.
Теоретическое описание знакопеременных тангенциальных и нормальных перемещений при контактировании сферических сегментои и шероховатых поверхностей базируется на обобщенном принципе циклического деформирования Мазкнга.
При теоретическом описании шероховатых поверхностей в осної положены теория упругого сближения И.В.Крагельского и Н.Б.Демкина и теория упругого предварительного смещения В.И.Максака.
Теоретические исследования и расчеты подтверждены собственными экспериментами, проведенными на установке с использование! высокоразрешаюшего лазера и аттестованными электронными прибора ми, с обязательной оценкой погрешности измеряемых величин.
Результаты работы были апробированы на III Всесоюзной науч но-технической конференции "Смешанные задачи механики деформиру емого твердого тела" в Харькове в 1985 г.; на Всесоюзной конфе ренции по вибрационной технике в Кобулети в 1987 г.; на научно ' конференции "Интенсификация-90" и научном семинаре "Механик контактного взаимодействия" в Абакане в 1987 г.; на XIV РеспуС ликанской научной конференции "Рассеяние энергии при колебаюи механических систем" в Киеве в 1989 г.; на научно-техническс конференции "Повышение эффективности технологических процессов машиностроительных производств" в Барнауле в 1989 г.; на Всерої
сийской научно-технической конференции "Прочность и живучесть конструкций" в Вологде в 1993г.; на Международной научно-технической конференции "Проблемы повышения качества машин" в Брянске в 1994 г.; на Международной научной конференции "Экономика и экология:антагонизм или сотрудничество" в Барнауле в 1994г.; на научно-технической конференции "Новые технологии и системы обработки в машиностроении" в Донецке в 1994г.; на Российской научно-технической конференции "Новые материалы и технологии" в Москве в 1994 г.; на Международной научно-технической конференции "Надежность машин и технологического оборудования" в Ростове-на-Дону в 1994 г.; на Международной научно-технической конференции "Совершенствование рабочих органов сельхозмашин и агрегатов" в Барнауле в 1994 г.; на 3-й юбилейной научно-технической конференции в Бийске в 1995 г. (два доклада).
Материалы диссертации неоднократно докладывались на научных семинарах кафедры "Теоретическая механика и сопротивление материалов" в Томском политехническом университете, кафедры "Строительная механика и сопротивление материалов" Усть-Каменогорского строительно-дорожного института, кафедры "Прикладная механика" Хакасскаого технического института, кафедры "Сопротивление материалов" Алтайского государственного технического университета.
Личное участие автора. Материалы, представленные в диссертационной работе, получены лично автором. Применение теорий, методов, положений и экспериментальных данных других авторов проанализировано и осуществлено автором со ссылками на библиографические источники. В совместных публикациях материалы, относящиеся к теории динамического контактирования твердых тел, принадлежат единолично автору.
На защиту выносится:
-
Математическая модель упругого динамического контактного взаимодействия твердых тел в области предварительного смещения, позволяющая описывать контактные колебания сопрягаемых тел как в нормальном, так и в касательном направлениях.
-
Численно-аналитический метод расчета нелинейных контактных деформаций сопряженных гладких и шероховатых тел при действии внешних сил изменяющихся во времени и направлении.
-
Установленные закономерности определения гистерезисных потерь и коэффициента поглощения механической энергии при свободных и вынужденных контактных колебаниях твердых тел.
-
Теоретические зависимости и экспериментальные данные гк определению амшштудно-частотньк характеристик механическоп контакта, работающего в пределах трения покоя.
-
Решение практически важных кснтактных динамических зада1 для наиболее распространенных видов сочленений элементов машиностроительных конструкций, находящихся под воздействием ударных и вибрационных нагрузок.
Совокупность основных положений, выносимых на защиту, свидетельствует о том. что в диссертаоди решена важная научно-техн ческая проблема в механике контактного взаимодействия, создай научные основы и методика деформационных, прочностных и диссипа-тивяых расчетов контакта элементов машиностроительных конструк ций, работающих в условиях динамических нагрузок.
Работа являлась частью, темы "Исследование и разработка ме тодов расчета на износ деталей машин", включенной в план рабо АН СССР по направлению І.ІІ.З на 1981-1985 г. г. ло проблеме "Тр ние, износ и смазочные материалы" (І.ІІ.2) Координационного пла на АН СССР на 1986-1990 г. г. и в целом по общесоюзной науч но-технической программы ГКНТ "Надежность" на 1986-1990 г.г. на период до 1995 г. по части 2: о проведении научно-исследова тельской работы по обеспечению надежности и качества машиностро тельной продукции, и выполнена на кафедре "Сопротивление матери алов" Алтайского государственного технического университета им И.И.Ползунова.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа сост ит из введения, шести глав, включающих 21 раздел , заключения и списка литературных источников. Материал работы изложен на 258 страницах, содержит 68 рисунков, 14 таблиц. Список литературы содержит 246 наименований. В приложении помещены акты, подтвер дающие внедрение результатов работы, и пакет прикладных програм
