Введение к работе
Развитие различных отраслей машиностроения неразрывно связано с применением современных конструкционных материалов. Для повышения качества, надежности и экономичности изделий машиностроения при условии снижения их материалоемкости и повышения прочностных свойств, коррозионной стойкости, тепло- и хладостойкости широкое применение нашли сплавы на основе титана. Однако особенности физико-механических характеристик титана накладывают ряд требований к применению их в разъемных и неразъемных соединениях деталей машин.
Использование титана в резьбовых, клеммовых соединениях, а также в соединениях с натягом, сформированных механической запрессовкой, ограничивается повышенными фрикционными, адгезионными характеристиками при формировании сопряжения деталей. Исключить негативное воздействие сил трения при запрессовке деталей позволяет термический и гидропрессовый методы сборки. С точки зрения производственно-экономических затрат термозапрессовка менее эффективна в сравнении с гидропрессовым методом, так как коэффициент теплового линейного расширения титана значительно ниже чем у стали, что требует больших энергозатрат. Разработанный Б.Ф. Федоровым и развитый И.В. Абрамовым, К.А. Глуховой, В.Б. Федоровым, Э.В. Соснович и А.В. Щенятским гидропрессовый метод сборки соединений позволяет в процессе сопряжения разделить детали гарантированным слоем масла и осуществить процесс запрессовки в режиме жидкостного трения, что позволяет обеспечить сохранность контактирующих поверхностей. Полученные ими результаты позволяют выдвинуть предположение о том, что сформированное гидропрессовое соединение деталей из титановых сплавов в сравнении с аналогичными по геометрическим параметрам соединениями из стали и чугуна будет обладать более высокими прочностными характеристиками. Очевидно, что данный эффект обусловлен спецификойфизико-механических свойств титановых сплавов и требует их учета при проведении проектных расчетов.
Таким образом, исследование нагрузочной способности (НС) гидропрессовых соединений с деталями из титановых сплавов и корректировка методики расчета на прочность являются актуальными задачами рассматриваемой области знаний.
Объект и предмет исследования.
Объектом исследования являются гидропрессовые соединения деталей из титановых сплавов. Предметом исследования являются модели напряженно-деформированного состояния деталей соединений с натягом и метод их расчета.
Цель работы - повышение точности и достоверности расчетов гидропрессовых соединенийс деталями из титановых сплавов.
Задачи исследования
-
Разработать математическую модель и выполнить анализ напряженно-деформированного состояния (НДС) гидропрессового соединения с деталями из титановых сплавов, тем самым установить особенности распределения контактного давления по длине сопряжения;
-
Выявить закономерности влияния физико-механических и фрикционных свойств титана на нагрузочную способность соединения с натягом и обосноватькорректировку методики их расчета;
-
Провести экспериментальную проверку адекватности математической модели и уточненной методики расчета соединений с натягом.
Методы исследования
Теоретическое исследование и вычислительные эксперименты базируются на известных положениях механики твердого деформируемого тела в области упругого деформирования, методе конечных элементов (МКЭ). При обработке данных экспериментальных исследований НС гидропрессовых соединений использовались методы математической статистики.
Достоверность и обоснованность результатов
Достоверность обеспечивается использованием фундаментальных положений классическоймеханики контактного взаимодействия,методов математической статистики при обработке данных вычислительных и натурных экспериментов. Обоснованность результатов подтверждается экспериментальной
проверкоитеоретических исследований, сходимостью полученных теоретических результатов с данными эксперимента, воспроизводимостью результатов экспериментальных исследований, сопоставлением промежуточных результатов расчетов с результатами аналитическихрасчетов, с опытными данными других авторов, а также апробацией полученных результатов в производственных условиях.
На защиту выносятся:
-
Модель НДС деталей соединений с натягом из титановых сплавов, обосновывающая характер уточнения расчетов НС.
-
Описание закономерностей влияния физико-механических характеристик титановых сплавов на НС гидропрессового соединения, позволяющих проводить объективные сравнения с другими соединениями и материалами их деталей.
-
Результаты экспериментальных исследований, подтверждающих достоверность математической модели и НС гидропрессовых соединений с деталями из титановых сплавов на осевой сдвиг.
-
Рекомендации для корректировки методики расчета гидропрессовых соединений с деталями из титановых сплавов с учетом уточненных параметров.
Научная новизна
1. В результате решения контактной задачи и задачи о НДС гидропрессовых
соединений с деталями из титановых сплавов методом конечных элементов
установлено, что в диапазоне стандартных значений натягов концентрация
напряжений у торцев носит по сравнению со стальными деталями менее
выраженный характер по величине и зона концентрации более протяженная, что
оказывает положительное влияние на НС соединения.
2. Впервые получены численным моделированием и экспериментально
подтверждены данные о НДС и НС гидропрессовых соединений с деталями из
титановых сплавов, а также научно обоснована корректировка методики расчета
НС с учетом использования закономерности изменения коэффициента трения в зависимости от величины контактного давления.
3. Для соединений с деталями из титановых сплавов выявлено значительное увеличение доли сил трения в зонах концентрации напряжений, что позволило выдвинуть и подтвердить предположение о том, что при определенных натягах и геометрии возможно разрушение одной из деталей соединения при сохранении целостности самого сопряжения.
Практическая значимость работы
Разработанные математические модели гидропрессового соединения с деталями из титановых сплавов и усовершенствование их расчетов позволяют определить требуемые технические параметры соединения при проектировании, а также более точно оценить НС соединения в условиях эксплуатации. Предложенные рекомендации позволяют применять в соединении с натягом различные комбинации материалов охватываемой и охватывающей деталей, а также снизить габариты деталей по сравнению со стальными.
Реализация результатов работы
Результаты диссертационной работы используются при расчете гидропрессовых соединений в механизме крепления ствола для нанесения в дальнейшем гальванопокрытия. Применение разработанной методики позволяет исключить использование дополнительных приспособлений крепления и герметизации казенной части ствола. Это позволяет снизить материалоемкость и трудозатраты процесса гальванизации.
Апробация работы. Основные теоретические и практические результаты диссертационной работы обсуждались на семинарах кафедры «Мехатронные системы», научно-исследовательских конференциях студентов, магистрантов и аспирантов факультета «Управления качеством» ИжГТУ (2010 -2013г.), на выставке-сессии инновационных проектов (2012г.).
Публикации. Опубликовано 3 статьи, 2 из них в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.
Соответствие результатов диссертации паспорту научной
специальности
В соответствии с формулой специальности 05.02.02 «Машиноведение,
системы приводов и детали машин» - наука, разрабатывающая теорию, методы
расчетов и проектирования машин, систем приводов, узлов и деталей машин
независимо от их отраслевой принадлежности и назначения с целью
совершенствования существующих и создания новых машин и механизмов
высокой производительности, долговечности и надежности, технологичности,
низкой материалоемкости и себестоимости, обладающих
конкурентоспособностью на мировом рынке.
В диссертационном исследовании установлена закономерность влияния физико-механических характеристик материала на НС соединения деталей с натягом, предложена уточненная методика расчета.
Соответствие диссертации области исследования специальности
Отраженные в диссертации научные результаты соответствуют областям исследования специальности 05.02.02 «Машиноведение, системы приводов и детали машин» (пункт 5) - «Повышение точности и достоверности расчетов объектов машиностроения; разработка нормативной базы проектирования, испытания и изготовления объектов машиностроения».
Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения,4 глав, заключения, библиографического списка.
