Введение к работе
АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОБЛЕМЫ. Для машиностроения весьма актуальной является проблема создания средств и методов экспериментального исследования нагруженности и ресурса деталей и металлоконструкций машин, позволяющих с минимальными затратами в условиях обкатки машин (узлов) на стендах или после кратковременных испытаний изделий в условиях эксплуатации определить места вероятного разрушения, оценить их напряженно-деформированное состояние и предсказать сроки разрушения. Одним из эффективных направлений решения поставленной проблемы является использование нетрадиционных средств измерения напряжений и деформаций, возникающих на поверхностях деталей при их циклическом нагружении. К таким средствам относятся разработанные в Курганском государственном университете датчики деформаций интегрального типа (ДДИТ). Основой датчиков является металлическая фольга, свойства которой изменяются в процессе циклического деформирования.
Накопленный к настоящему времени опыт практического применения методов оценки с помощью ДДИТ нагруженности и ресурса деталей при их конструкторско-технологической доработке в процессе испытаний на стендах свидетельствует, что новые средства экспериментального исследования, ДДИТ, и методы их использования обладают широкой универсальностью и большими потенциальными возможностями. В то же время для диагностики нагруженности деталей в процессе эксплуатации машин на основе показаний ДДИТ необходимо иметь специальные методики расшифровки их реакции, реализуемые в условиях дорожных (ходовых) испытаний машин и базирующиеся на той информации, которая в этих условиях может быть получена. Разработка таких методик с соответствующим математическим и программным обеспечением и их реализация позволят существенно сократить трудоемкость и время операций конструкторской и технологической отработки деталей трансмиссий новых образцов машин, - задача для современного машиностроительного производства важная и актуальная.
ЦЕЛЬ ИССЛЕДОВАНИИ. Цель работы - создание расчетно-экспериментальных методик оценки с помощью ДДИТ нагруженности деталей трансмиссий (валов, зубчатых колес), реализуемых на основе данных, получаемых в процессе стендовых и эксплуатационных испытаний трансмиссий и машин.
Для достижения поставленной цели в диссертации были решены следующие задачи:
1.Разработан ряд методик определения с помощью ДДИТ крутящих моментов на валах, реализуемых как в условиях стендовых испытаний трансАшссий (при некоторых известных параметрах процесса нагружения и возможности его прерывания для регистрации показаний ДДИТ), так и в ходе эксплуатации машин.
2.Установлена взаимосвязь напряженно-деформированного состояния контактирующих плоских образцов с реакцией ДДИТ, наклеенных на поверхности образцов в зонах, прилегающих к контактной.
3. Созданы расчетно-экспериментальные методики определения нагруженности зубьев колес цилиндрических передач, позволяющие получать требуемую для анализа информацию после испытаний машин в условиях эксплуатации. Расчетная часть методик поддерживается разработанным пакетом программ, в основе которых реализованы метод конечных и граничных элементов (в объемной постановке).
4.Разработано математическое и программное обеспечение для обработки экспериментальных данных измерения с помощью ДДИТ характера распределения напряжений и коэффициента их концентрации (одномерные и двумерные модели аппроксимации).
МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ. При выполнении работы использовались численные методы теории упругости (методы конечных и граничных элементов), методы одномерной и двумерной сплайн-аппроксимации, методы расчета на прочность деталей машин, экспериментальные методы оценки циклических напряжений с помощью датчиков деформаций интегрального типа.
НАУЧНАЯ НОВИЗНА. Предложена новая методология измерения напряжений по информации с ДДИТ, основанная на учете напряженно-деформированного состояния поверхности детали в месте наклейки датчиков. Разработаны расчетно-экспериментальные методики определения крутящих моментов на валах и напряжений в основании зубьев цилиндрических колес для нестационарных условий нагружения передач и ограниченных возможностей получения информации с ДДИТ в процессе испытаний машин. На основе установленных связей реакции ДДИТ на поверхности плоских образцов с их напряженно-деформированным состоянием при циклическом контактном взаимодействии, предложен новый способ тарирования ДДИТ, обеспечивающий возможность определения нагруженности контакта в зацеплении зубьев.
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ. Разработанный пакет программ позволяет осуществлять эффективную обработку данных измерений с помощью ДДИТ, устанавливать характер распределения напряжениіі по исследуемой поверхности детали, определять величину максимальных и
номинальных напряжений. Созданный комплекс программ по расчету напряженно-деформированного состояния зубьев колес МКЭ и МГЭ, с одной стороны, обеспечивает получение требуемой информации для расшифровки показаний ДДИТ в процессе реализаций разработанных методик оценки нагруженности зубьев, а с другой - может быть использован в исследованиях влияния геометрических параметров зубьев на прочностные их характеристики. Разработанные расчетно-экспериментальные методы позволяют после кратковременных испытаний изделий с ДДИТ получить данные о нагруженности исследуемых деталей в реальных условиях работы.
НА ЗАЩИТУ ВЫНОСЯТСЯ: Методология измерения напряжений по информации с ДДИТ, основанная на учете напряженно-деформированного состояния поверхности детали в месте наклейки датчиков. Расчетно-экспериментальные методики определения крутящих моментов на валах и напряжений в основании зубьев цилиндрических колес при ограниченных возможностях получения информации с ДДИТ в процессе испытаний машин. Способ тарирования ДДИТ, обеспечивающий реализацию метода определения нагруженности контакта в зацеплении зубьев.
РЕАЛИЗАЦИЯ РАБОТЫ. Предложенные в работе методы использовались для получения информации о реальной нагруженности полуосей и зубчатых колес главной передачи спортивных автомобилей КамАЗ, участвующих в международных авторалли Париж-Москва, Париж-Москва-Улан-Батор-Пекин. Результаты диссертации внедрены в учебный процесс КГУ.
Работа является составной частью ряда проектов, выполненных в рамках научно-технических программ и грантов Министерства общего и профессионального образования Российской Федерации: инновационной программы "Прогрессивные зубчатые передачи", программы "Конверсия и высокие технологии", двух грантов по фундаментальным исследованиям в области транспортных наук.
АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались: на пятом межгосударственном симпозиуме "Теория реальных передач зацеплением" (г. Курган, 1993г.), международной научно-технической конференции "Динамика систем, механизмов и машин" (г. Омск, 1995г.), межрегиональном семинаре-выставке "Автоматизация и прогрессивные технологии" (г. Новоуральск, 1996г.), международной конференции "Теория и практика зубчатых передач" (г. Ижевск, 1996г.), международной научно-технической конференции "Повышение эффективности работы колесных и гусеничных машин в суровых условиях эксплуатации" (г. Тюмень, 1996г.), шестом международном симпозиуме "Теория реальных передач зацеплением" (г. Курган, 1997г.), национальной
конференции с международным участием "Инженерная механика-97" (Чехия, г. Свратка, 1997г.), национальной конференции с международным участием "Инженерная механика-98" (Чехия, г. Свратка, 1998г.).
В полном объеме диссертационная работа докладывалась и была одобрена на научном семинаре кафедры деталей машин КГУ( Курган, 1998), на объединенном научном семинаре "Совершенствование технико-эксплуатационных показателей машин и механизмов" КГУ (Курган, 1998).
ПУБЛИКАЦИИ. По теме диссертации опубликовано 15 работ.
СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ. Диссертация состоит из введения, четырех разделов основного текста, выводов, списка использованных источников, включающего 86 наименований, содержит 116 страниц машинописного текста, 40 иллюстраций, 2 таблицы, приложения.