Содержание к диссертации
Введение
1. Обзор конструкторских и технологических методов повышения работоспособности цепных передач 14
1.1. Методы расчета втулок роликовых цепей и ориентация стыка свертных втулок 14
1.2. Метод конечных элементов при анализе напряженно-деформированного состояния деталей цепей 24
1.3. Методы повышения технологичности и работоспособности втулок роликовых цепей 28
1.4. Методы регулирования натяжения в цепных передачах 36
1.5. Цель и задачи исследования 36
2. Технологические методы повышения работоспособности роликовых цепей 38
2.1. Технология изготовления свертных втулок роликовых цепей 38
2.2. Отличительные особенности технологии изготовления модифицированных втулок и цепей 44
2.3. Систематизация и выбор технологических формообразующих параметров при изготовлении втулок 50
2.4. Анализ методов поверхностного упрочнения втулок роликовых цепей 59
2.5. Влияние технологических параметров на расчетную схему стыка свертной втулки 67
Выводы 72
3. Моделирование напряженно-деформированного состояния втулок роликовой цепи 73
3.1. Модели для анализа напряженно-деформированного состояния втулок роликовой цепи при помощи метода конечных элементов 73
3.2. Оценка напряженного состояния втулки в составе внутреннего звена роликовой цепи 77
3.3. Напряженно-деформированное состояние свертной втулки при внешнем нагружении 81
3.4. Моделирование напряженно-деформированного состояния втулки при сопряжении с пластиной 90
Выводы 95
4. Экспериментальные исследования работоспособности модифицированных втулок роликовых цепей 96
4.1. Сравнительные стендовые испытания цепи с модифицированными втулками и серийной цепи ПР-19,05-31,8 96
4.2. Оценка работоспособного состояния втулок 105
4.3. Исследование работоспособности свертных втулок 111
4.4. Рекомендации по ориентации стыка свертной втулки 122
Выводы 124
5. Исследование и расчет автоматического натяжного устройства 126
5.1. Кинематическое и силовое исследование автоматического натяжного устройства 126
5.2. Динамическое исследование натяжного устройства 133
5.3. Расчет автоматического натяжного устройства 142
Выводы 148
Заключение 149
Список литературы
- Метод конечных элементов при анализе напряженно-деформированного состояния деталей цепей
- Отличительные особенности технологии изготовления модифицированных втулок и цепей
- Оценка напряженного состояния втулки в составе внутреннего звена роликовой цепи
- Оценка работоспособного состояния втулок
Введение к работе
Цепные передачи широко применяются в сельскохозяйственных, горнодобывающих, транспортных и других машинах. Исследованию цепных передач посвящено большое количество работ. В научных трудах Н.В. Воробьева [8], А.А. Готовцева [19], И.П. Глущенко [9 - 18], А.А. Петрика [51 - 56], И.И. Ивашкова [31 - 35], Т.К. Рябова [63 - 65], П.Н. Учаева [79 - 82], С.А. Метилькова [42 - 46], зарубежных автров [85 - 88] рассмотрены вопросы теории зацепления, кинематики и динамики цепных передач, расчета статической и усталостной прочности цепи и её деталей, в том числе на основе методов конечных элементов, изнашивания приводных цепей и звездочек, применения натяжных устройств. Исследованию напряженного состояния втулок посвящен ряд работ [1, 4, 5, 6, 21, 30, 32, 52]. Наиболее глубокие исследования в этом направлении выполнены И.И. Ивашковым, в частности в работе [32] рекомендовано учитывать три типа деформации втулки: от поперечного изгиба, сплющивания и местного изгиба. Однако автор не учитывает фактор наличия и ориентации стыка втулки. В работе [52] предложены расчетные схемы стыка втулки, учитывающие податливость стыка, что позволило уточнить и дать более полную оценку напряженно-деформированного состояния втулки. В этой работе не учитывается технологический аспект формирования стыка втулки и вид стыка с корректировкой поверхности стыка.
Втулки втулочных и роликовых цепей согласно [20] изготавливают по свертной технологии. Поскольку свертная втулка обладает повышенной податливостью, по сравнению с цельноштампованной, напряженно-деформированное состояние такой втулки будет существенно зависеть от взаимной ориентации стыка и прилагаемой нагрузки. При сборке се рийных цепей по существующей технологии на заводах по производству роликовых цепей не учитывается фактор ориентации стыка. В работах [24, 39, 40] рассмотрены макрогеометрические параметры стыка, приведены результаты испытаний двухрядных цепей работающих в автомобильных двигателях при непрерывной смазке с втулками имеющими направленную ориентацию стыка. Установлено, что износ цепи зависит от направления ориентации стыка втулок. В работах [28, 29] приводятся сведения о повышении износостойкости цепей в случае расположения втулок стыком внутрь звена. Авторы объясняют это тем, что в случае сборки с произвольным положением стыка, его острые кромки часто попадают в зону контакта с валиком и это увеличивает интенсивность износа трущихся поверхностей. В этих работах не освещено влияние на работоспособность цепи отверстий, расположенных по стыку втулки и являющихся технологической базой для ориентации втулок.
Из опыта эксплуатации цепных передач известно влияние настройки цепной передачи на её работоспособность. Так согласно данным Таганрогского ГКБ, отказы цепных передач, вызванные настройкой, составляют не менее 64% от общего количества отказов цепных передач [18, 83]. В процессе эксплуатации роликовой цепной передачи, в связи с износом цепи, натяжение холостой ветви постоянно уменьшается. Из работ [15, 16, 17, 18, 50] выполненных на кафедре технической механики Кубанского государственного технологического университета под руководством И.П. Глущенко и А.А. Петрика установлено, что для каждой цепной передачи существует свое минимальное значение натяжения холостой ветви, по достижении которого передачу приходится подстраивать - увеличивать одним из возможных методов натяжение холостой ветви. Практика эксплуатации цепных передач показывает [19], что замена жестких натяжных устройств натяжными устройствами с вин • товыми пружинами позволяет увеличить срок службы цепи в 1,2 - 1,5 раза. Применение натяжных устройств такой конструкции рекомендуется для цепных передач при скорости движения цепи v 2 м/с. Среди многочисленных конструкций натяжных устройств отсутствуют такие, которые обеспечивали бы помимо компенсации удлинения цепи, вследствие износа, поддержание постоянного усилия натяжения ведомой ветви.
Анализ работ посвященных совершенствованию цепных передач показал, что остается нерешенным ряд вопросов, связанных с совершенствованием конструкций деталей цепей, исследованием напряженно-деформированного состояния свертной втулки, разработкой технологических методов повышения работоспособности и совершенствования технологии изготовления деталей цепей. Установлена недостаточная эффективность существующих конструкций натяжных устройств и отсутствие методик расчета позволяющих обеспечить постоянный уровень натяжения ведомой ветви цепной передачи. Решение этих основных вопросов совершенствования цепной передачи является необходимым для дальнейшего повышения работоспособности цепных передач
Актуальность проблемы. Повышение работоспособности машин, их приводов, в том числе механических передач, является центральной проблемой научно-технического прогресса. Цепные передачи широко применяются в сельскохозяйственных и других машинах. Работоспособность передачи лимитирует приводная роликовая цепь. Эффективным направлением повышения работоспособности цепных пере- # дач является увеличение прочности и износостойкости деталей ролико вых цепей, а также применение автоматического регулирования натяжения ведомой ветви.
Вопросам повышения работоспособности втулок роликовых цепей путем совершенствования их конструкции, технологичности, совершенствования конструкций автоматических натяжных устройств, обеспечивающих благоприятные условия работы цепной передачи, уделяется недостаточно внимания. Не решены вопросы:
- влияния ориентации стыка свертной втулки и наличия технологических отверстий в модифицированных втулках на их напряженно-деформированное состояние и работоспособность;
- влияния технологических факторов на формирование стыка свертной втулки, податливость втулки роликовой цепи при запрессовке в пластину;
- совершенствования технологических методов повышения работоспо-собности свертных втулок;
- совершенствования конструкций и расчета автоматических натяжных устройств, обеспечивающих постоянное натяжение ведомой ветви цепной передачи.
Исследование этих вопросов и внедрение в производство научно обоснованных технических решений позволит повысить работоспособность передач с роликовыми цепями, в связи с чем настоящее исследование является актуальным.
Работа выполнялась в соответствии с госбюджетной темой кафедры технической механики Кубанского государственного технологического университета по плану на 2001-2005г.г. № 01.11.1 «Исследование, расчет и проектирование механизмов, приводов и систем с гибкими связями».
Цель работы и задачи исследования. Целью настоящей работы является исследование эффективности конструкторских и технологических методов повышения работоспособности цепных передач. Повышение работоспособности роликовых цепей достигается путем совершенствования конструкции и технологии изготовления втулок, а также совершенствования устройств автоматического натяжения ведомой ветви цепной передачи. В соответствии с поставленной целью определены следующие основные задачи настоящей работы:
1) исследовать напряженно-деформированное состояние серийных и модифицированных втулок с целью выявления рационального расположения стыка втулки;
2) повысить технологичность свертных втулок роликовых цепей путем совершенствования проектирования технологического процесса и оснастки;
3) исследовать эффективность различных методов поверхностно-отделочной обработки с целью повышения работоспособности втулок роликовой цепи;
4) на основании кинематического, силового, динамического анализа автоматического натяжного устройства цепной передачи разработать расчет натяжного устройства, обеспечивающего постоянное усилие натяжения ведомой ветви в процессе эксплуатации;
5) исследовать экспериментально влияние ориентации стыка и модификации втулок на работоспособность роликовой цепи.
Общие методы исследования. Теоретические исследования напряженно-деформированного состояния втулок роликовых цепей базируются на использовании метода конечных элементов. При обработке результатов исследований и разработке методик расчета использовались пакеты прикладных программ Analysis-EXCEL, MathCAD, Mechanical Desktop. Обработка экспериментальных результатов выполнена с применением методов теории вероятности и математической статистики.
Научная новизна. Получены математические модели напряженно-деформированного состояния, статической прочности и усталостного износа свертных втулок в зависимости от взаимной ориентации стыка и прилагаемой нагрузки, позволившие выявить рациональное расположение стыка свертной втулки.
Разработан расчет автоматического натяжного устройства цепной передачи, обеспечивающий постоянное натяжение ведомой ветви в процессе эксплуатации. Разработана динамическая модель натяжного устройства в приводе, позволившая получить функцию собственной частоты колебаний и использовать её для «отстройки» системы привода от резонансных состояний.
Получены эмпирические зависимости и номограммы для выбора основных формообразующих элементов технологической оснастки для изготовления свертных втулок.
Практическая ценность работы заключается в следующем;
- научно-обоснованная модификация и ориентация свертных втулок по стыку позволила повысить работоспособность роликовых цепей до 25%;
- разработанная классификация видов и причин возникновения брака в производстве свертных втулок на заготовительных операциях позволила эффективно проводить мероприятия по его устранению;
- предложенный способ контроля втулок роликовой цепи позволил дать оценку износа цементированного слоя втулки;
- использование номограмм для выбора основных формообразующих элементов технологической оснастки для изготовления свертных втулок позволяет повысить эффективность принятия технологических и конструкторских решений;
- предложенные устройства и технологические решения являются основой для модернизации существующего технологического процесса и использования его для производства роликовых цепей с модифицированными втулками;
- предложенная технология отделочной обработки втулок роликовой цепи, обеспечивает эффективное снижение исходной шероховатости, поверхностное упрочнение, увеличение блеска и белизны поверхности;
- предложенное автоматическое натяжное устройство цепной передачи и его расчет позволяет сократить количество необходимых подстроек по сравнению с натяжными или оттяжными звездочками.
В первой главе содержится анализ работ посвященных теме исследования. Рассмотрены различные методы расчета втулки, для теоретических исследований напряженно-деформированного состояния втулки метод конечных элементов определен как наиболее подходящий. Выполнен анализ исследований, посвященных вопросу применения тех нологических методов повышения работоспособности свертных втулок. Анализ методов регулирования натяжения ведомой ветви в цепных передачах показал необходимость совершенствования конструкций и расчета автоматических натяжных устройств обеспечивающих постоянное натяжение. На основании проведенного анализа определены основные цели и задачи исследования, решение которых направлено на повышение работоспособности цепных передач.
Во второй главе рассмотрены особенности технологии производства втулок роликовых цепей, связанные с модификацией втулок, определены и обоснованы направления совершенствования технологического процесса. Предложены математические модели и разработаны номограммы выбора формообразующих параметров технологической оснастки, исходя из конструктивных параметров втулок. Уточнена расчетная схема стыка свертной втулки, учитывающая технологическую наследственность и технологическую корректировку стыка.
В третьей главе приведены результаты расчета конечно-элементных моделей втулки по сформированным схемам и анализ напряженно-деформированного состояния свертной втулки. На основании анализа результатов получены модели напряженно-деформированного состояния модифицированных и серийных втулок в зависимости от взаимной ориентации стыка и прилагаемой нагрузки. Дана оценка влияния типа стыка на напряженно-деформированное состояние втулки.
В четвертой главе анализируются результаты сравнительных стендовых испытаний втулок и цепей содержащих модифицированные и серийные втулки. Предложены зависимости для оценки влияния ориентации стыка и модификации свертной втулки на работоспособность втулки и цепи. Работоспособность оценивалась по критериям: удлинения отрезка цепи вследствие износа шарниров, усталостного износ втулки при ударе, статической прочности и контактных напряжений вследствие отклонения от крутости нормального сечения втулки. Предложен способ контроля работоспособного состояния втулки по критерию износа цементированного слоя.
Пятая глава посвящена кинематическому, силовому, динамическому анализу автоматического натяжного устройства цепного привода с целью совершенствования конструкции, расчета устройства и проверки системы привода на резонанс.
Метод конечных элементов при анализе напряженно-деформированного состояния деталей цепей
Численные методы - современные методы решения инженерных задач, позволяющие эффективно и достаточно точно определять напряжения и перемещения в элементах рассматриваемой системы. Метод конечных элементов [47, 60, 66, 70, 77] является одним из методов дискретизации непрерывной модели системой с конечным числом степеней свободы и составления системы уравнений, описывающих топологию системы. Эта система решается на ЭВМ.
Спрос научно-исследовательских организаций конструкторских бюро в сфере различных типов расчетов удовлетворяется программным обеспечением для конечно-элементного анализа: ANSYS, DesignSpase, Cosmos, Nastran, WinMachine и другие. Эти системы решают ряд задач: статических, динамических, частотных, тепловых и прочих.
На начальном этапе строится геометрическая модель испытываемой детали, в какой либо САПР. Это может быть упрощенная плоская геометрия или пространственная модель. Затем в автоматическом или ручном режиме происходит дискретизация геометрической модели и представление её в виде каркасной структуры, минимальным элементом которой будет конечный элемент расчетной модели. На следующем этапе происходит описание нагрузок и связей, приложенных к системе. Необходимо так же задать тип материала и его характеристики. Далее идет автоматическое составление и расчет системы уравнений, описывающих каркасную геометрическую модель. После расчета имеется возможность отобразить результаты расчета: напряжения, деформации, тепловые поля, частоты собственных колебаний.
Программы конечно-элементного анализа позволяют производить выбор типа и уровня дискретизации конечных элементов. Самый про стой тип - линейные (одномерные) элементы. Они представляют собой линию (прямую или кривую) соединяющую два узла (рис. 1.9, а, б). Дан ные типы элементов применяются для описания стержней, балок, пру жин и других видов конструкций одномерного типа. Плоские (двумерные) треугольные, четырехугольные (рис. 1.9, в, г) элементы предназначены для моделирования пластин, оболочек и других видов тонкостенных конструкций. Пространственные элементы, треугольные, четырехуголь ные пирамиды и призмы служат для построения конечно-элементных моделей объемных тел (рис. 1.9, д, е, ж, з).
Материал модели рассматривается как сплошная среда. Гипотеза сплошной среды и однородности позволяет использовать методы математического анализа для изучения поведения деформируемых тел. При моделировании применяются различные типы материалов. Материал линейно-упругий, если для него справедлива линейная зависимость между напряжениями и деформациями - закон Гука. Материал пластичный, если после снятия внешних нагрузок не восстанавливает исходные формы и размеры. Применяется моделирование специфических свойств материалов не как констант, а как функций тех или иных параметров: времени, температуры и др.
Моделируются следующие параметры. Силы и моменты: сосредоточенные; распределенные по длине и поверхности. Кинематические: ускорения; скорости; перемещения. Тепловые: температура; тепловыделение; тепловой поток; конвективный поток; радиационный поток. По способу приложения к объектам модели можно выделить четыре основных типа. Объемные: ускорения при перемещении и вращении; скорости при вращении; тепловые. Узловые: силы и моменты; перемещения; скорости; температура; тепловыделение; тепловой поток. Элементные: распределенные нагрузки, на длину линейного элемента; давление; температура; тепловыделение; тепловой поток; конвективный поток; радиационный поток. Нагрузки, прикладываемые к геометрическим объектам: в точке, на линии, на поверхности.
Отличительные особенности технологии изготовления модифицированных втулок и цепей
Технология изготовления цепей содержащих модифицированные втулки (рис. 2.6) отличается от технологии изготовления серийных цепей наличием операции пробивки отверстий в заготовках модифицированных втулок и ориентацией втулок при сборке внутренних звеньев цепи, содержащих модифицированные втулки.
Технологический процесс изготовления втулок и цепей на заводе «Краснодарсельмаш» разработан для крупносерийного и массового типа производства. При современных тенденциях развития сельскохозяйственного машиностроения необходимо вносить коррективы в технологический процесс, учитывая следующие факторы: - отказ от массовости производства, - значительное расширение ассортимента, - высокая скорость освоения производства новых типов цепей, - изготовление модифицированных цепей мелкими сериями.
Так при крупносерийном типе производства на стадии заготовительных операций, производится разрезка рулонной стали на бунты. При изготовлении мелких серий более рационально выполнять разрезку в ручном режиме на гильотинных ножницах или установках лазерного раскроя. Стан точной подкатки выполняет формообразующее фасок из бунта не менее 20-30 м, поэтому было разработано и внедрено в производство приспособление накатки фасок (приложение 3). Данное приспособление позволяет накатывать фаски на краях отрезков ленты или на прямоугольных заготовках втулок и роликов. На рисунке 2.7 показана схема автоматического комплекса свертки втулок из полосы предназначенного для изготовления модифицированных втулок. Отличительной особенностью предлагаемой схемы от применяющейся на заводе «Краснодарсельмаш» является ведение в штамп дополнительного инструмента образования технологического элемента (отверстия) на стыке втулки. Таким инструментом является пуансон и матрица пробивки отверстий. На рисунке 2.7 показаны 1-пуансон гибочно-отрезной, 2-матрица отрезки, 3-дополнительный пуансон, 4-механизм подачи и фиксации, 5-бунторазматыватель, 6-пуансоны окончательной гибки. Последовательность работы комплекса аналогична комплексу, показанному на рисунке 2.3.
Для производства модифицированных втулок мелкими сериями, операции разделяются на рубку карты, пробивку отверстий и свертку втулки. На (рис. 2.8, а) показана схема резки ленты на карты, где 1 # пуансон, 2-регулируемый упор, 3-матрица, 4-механизм подачи и фиксации ленты. Схема штампа образования дополнительного элемента (рис. 2.8, б), укладка карт в кассету с ручной или автоматической шиберной подачей заготовки в рабочую зону, где 5-кассета, 6-шибер. Подача новой заготовки вызывает выброс отработанной на рабочей позиции заготовки. Свертка втулок (рис. 2.8, в) проводится на двухпозиционном штампе с ручной подачей.
Модифицированная втулка входит в состав внутреннего звена цепи. На рисунке 2.9 показана схема операции сборки внутреннего звена по переходам. На первой стадии собирается полублок (вилка) звена внутреннего, состоящий из пластины и двух втулок, запрессованных в отверстия пластины (рис. 2.9, а). Затем на фиксаторы одеваются замыкающая пластина, ролики и вилка звена внутреннего (рис. 2.9, б). Следовательно, ориентация втулок должна происходить на стадии сборки вилки звена внутреннего [76] (рис. 2.9, а),
Сборка внутренних звеньев, при мелкосерийном и среднесерийном типе производства осуществляется в ручном режиме на штампах с шиберной подачей либо на штампах роторного типа. Обе схемы показаны на рисунке 2.10, где 1 - пуансон, 2 - установочная база с ползушкой, 3 - подвижный диск ротора, 4 - механизм подачи.
По схеме (рис. 2.10, а), укладка пластин и втулок происходит в крайнем правом положении ползушки, затем происходит подача в рабочую зону штампа, запрессовка втулок в пластины, отвод ползушки в правое положение, съем собранного элемента. Начало следующего цикла после съёма собранных блоков и укладки новых пластин и втулок. При такой схеме ориентация втулок может осуществляться вручную.
Схемы штампов сборки внутреннего звена Схема (рис. 2.10, б) может быть реализована как для ручной, таки для полуавтоматической сборки. Подвижный диск, выполненный в виде храпового колеса, содержит 56 пар фиксаторов, на которые помещают пластины и втулки. Диск условно можно разделить на зоны: А - зона загрузки, Б - зона сборки, В - зона сброса собранного элемента. Зона А в свою очередь разделяется на количество зон, равное числу деталей в собранном элементе. Вращение подвижного диска происходит механизмом подачи, кинематически связанным с приводом ползуна пресса.
Поскольку вращение ротора идет непрерывно с частотой до 60 ударов в минуту, такая работа утомительна и трудоемка для человека. Применяются различные методы механизации и автоматизации отдельных ручных работ [37].
На рисунке 2.11 показано устройство для укладки модифицированной втулки на фиксатор ротора в ориентированном состоянии. Устройство состоит из корпуса 1, прижимного рычага 2, имеющего возможность вращаться вокруг оси А, подпружиненного пружиной 3. Валок 4 вращает втулку 5 от независимого привода 6, в момент поиска технологического элемента иглой 7, подпружиненной пружиной 8. Упор 9 для ограничения положения рычага 2.
Укладка пластин на роторных штампах (рис. 2.10, б) производится вручную. В приложении 3 приведены схемы и описание принципа работы предлагаемых устройств для механизации процесса укладки пластин. 2,3. Систематизация и выбор технологических формообразующих параметров при изготовлении втулок
В связи с тенденцией, проявившейся за последние годы в сфере производства роликовых цепей, на значительное расширение номенклатуры выпускаемых изделий, возникла необходимость проведения ряда технико-экономических мероприятий направленных на совершенствование всего производственного цикла. В частности, совершенствование проектно-конструкторских и технологических работ при освоении новых типов продукции. Принятие решения о назначении технологических параметров при изготовлении втулок и роликов, после предварительных расчетов по руководящим техническим материалам холодной штамповки, производится методом прецедентов из практического опыта, полученного за предыдущее время работы. Затем технологические параметры уточняются в процессе проверки и испытаний опытной серии изделий основного производства. Для совершенствования процедуры принятия технологического решения базируясь на опытно-экспериментальных данных, зафиксированных во внедренных технологических процессах, разработаны математические модели и номограммы для определения основных технологических формообразующих параметров изготовления втулок. Входные данные для расчета технологических параметров -конструктивные данные чертежа детали.
Оценка напряженного состояния втулки в составе внутреннего звена роликовой цепи
Первой стадией моделирования является создание трехмерной геометрической модели (рис. 3.2). В нашем случае это половина звена внутреннего без роликов. Размеры приняты из заводской технической документации на продукцию основного производства. Модель внутреннего звена цепи ПРД 38-40 Модель втулки (рис. 3.2) содержит зазор, имитирующий стык шириной 0,4 мм, который может быть ориентирован в любом направлении- Далее на геометрические модели из таблицы 3.1 накладываются связи, нагрузки, выбирается уровень дискретизации, при разбиении модели на конечные элементы, выполняется расчет. Расчетная схема №1 - внутреннее звено при зацеплении с зубом, нагрузка распределенная, втулка свертная. Приложена распределенная нагрузка 300 МПа по площади сектора наружного диаметра втулки, длина дуги сектора 0,5 мм (рис. 3.3). Уровень дискретизации при автоматическом разбиении 4 мм, количество узлов составило 325, количество тетраэдров 900.
Расчетная схема N21 таблица 3.1 - внутреннее звено при зацеплении с зубом; нагрузка распределенная, втулка свертная стык и модифицирующий элемент в виде отверстия под углом 180 относительно прилагаемой нагрузки. Прикладывается распределенная нагрузка 300 МПа по площади сектора наружного диаметра зтул&и длина дуги сектора 0,5 мм {рис. 3.5). Уровень дискретизации при автоматическом разбиении 4 мм, количество узлов составило 421, шличество тетраэдров 1245. На рисунке 3.6 показаны результаты расчета напряжений. Сопоставляя с диаграммой напряжений (рис. 3.4Г а) видно, что при всех прочих равных условиях модифицирующий элемент не оказывает значительных искажений и концентрации напряжений при расположении в равноудаленной зоне 180 относительно прилагаемой нагрузки.
Для количественной оценки напряженно-деформированного состояния свертнои втулки при помощи метода конечных элементов была принята схема №2 из таблицы 3.1. Круговая заделка, имитирующая пластину шириной 3,2 мм, распределенная по образующей втулки нагрузка интенсивностью q = 300 МПа (рис. 3.7, а).
Учитывая диаграммы напряжений (рис. 3.4 - 3.6), наибольшее напряжение и деформацию втулка испытывает в районе приложения нагрузки. На графиках (рис. 3.9) и в приложении 3.1 представлены результаты расчета напряжений и деформаций в продольном сечении втулки по уровням: 0; 3,2; 5,2; 7,2; 9,2; 11,2; 12,7 мм (рис. 3.7, в). Модифицированные втулки обозначены штрихом (0 , 45 , 90 , 135 , 180 ). Из графиков (рис. 3.9, 3.10) видно: максимальные напряжения и деформации возникают при ориентации стыка в диапазоне 0 - 45. Максимальные деформации втулки находятся в среднем поперечном сечении втулки. Максимальные напряжения втулки находятся в поперечном сечении втулки между 3,2 - 7,2 мм, что соответствует профилю износа втулки [32] и объясняется податливостью центральной части втулки.
Результаты расчета напряжений и деформаций в поперечных сечениях втулки (рис, 3.11) приведены на графиках (рис. 3.12). Сечение А-А - для зоны максимальных напряжений, Б-Б - для зоны максимальных деформаций согласно графика (рис. 3. 9, б).
Как видно из графиков (рис. 3.12): максимальные напряжения и деформации возникают при угловой ориентации стыка 0-45; в зоне 45-270 напряжения и деформации минимальные; максимальные напряжения и деформации втулки находятся в месте приложения нагрузки.
Для получения зависимостей НДС модифицированных и серийных втулок от угла приложения нагрузки а относительно стыка, координаты измерений, грзвдсы выполнена выборка по продольным сечениям в местах максимальных напряжений и деформаций (приложение 9).
На усталостный износ оказывает влияние амплитуда деформации и соответственно повышенные напряжения в зоне контакта. По Крагельскому [38] износ прямо пропорционален нагрузке и деформациям материала при переходе от упругих деформаций к пластическим. Этот переход хорошо описывается четвертой теорией прочности, согласно которой получены эквивалентные напряжения при расчете методом конечных элементов (приложение 9, 10), ,4. напряженно-деформированного состояния втулки при сопряжении с пластиной
Во второй главе был выполнен анализ технологических факторов при изготовлении втулки на напряженно-деформированное состояние в стыке. Для получения численных значений напряжений и деформаций в зависимости от расчетной схемы стыка на призере втулки цепи ЛР-19,05-31,8 выполнен расчет по схемам За, 36, Зв (таблица 3,1) {ц-500 Н/мм, толщина пластины 2,4мм).
Снижение МО эквивалентных напряжений на наружном контуре втулки для модели со стыком составило 15%, для модели с технологической корректировкой стыка снижения не произошло, а произошло увеличение на 3% по сравнению с моделью без стыка. Превышением МО напряжений в модели с технологической корректировкой стыка на 3% можно пренебречь за счет различных характеристик конечно-элементных сеток и дискретных выборок.
Сформированы схемы для исследования НДС втулки. Выполнен расчет при помощи метода конечных элементов по сформированным схемам. На основе проведенных исследований можно сделать вывод: - подтверждено различие в НДС для цельной и зазорной модели втулки; - получены математические и графические модели напряженно-деформированного состояния модифицированных и серийных втулок в зависимости от взаимной ориентации стыка и прилагаемой нагрузки; - определены места ориентации стыка втулки относительно нагрузки, вызывающие экстремальное неблагоприятное НДС; - предложенная графическая классификация видов возможной деформации свертнои втулки в среднем сечении при нагружении по образующей в зависимости от взаимной ориентации стыка и нагрузки позволяет судить о форме и величине деформации; - учет податливости стыка свертнои втулки с коррекцией и без коррекции стыка позволил уточнить напряжения в соединении с пластиной; эквивалентные напряжения от натяга в соединении пластины и свертнои втулки без коррекции стыка, составляют 85% от напряжений без учета податливости стыка и технологической корректировки стыка.
Оценка работоспособного состояния втулок
После проведения ускоренных стендовых испытаний серийной и модифицированной цепи [ 19,05-31,8 отрезки цепей были разобраны для оценки характера и величины износа втулок. Из работ [51, 68, 86] известны зоны изнашивания втулки. На рисунке 4.9 показана схема внутреннего звена и зоны износа втулок, валики и ролики не показаны. Наиболее интенсивна изнашиваются зоны ориентированные во внутрь звена Иі, Иг по сравнению с зонами И3-И5. При указанном направлении движения зона Иі является наиболее интенсивно изнашиваемой. Причина такого характера износа заключается в механизме взаимодействия шарниров с зубьями звездочки. Во время зацепления шарниров роликовой цепи с зубьями звездочки происходит поворот звена в контактирующем шарнире на угол а " 2 /z, где z - число зубьев звездочки. В зависимости от того, какое звено проворачивается к этому звену и относится шарнир [8]. Износ И, образуется при входе в зацепление с ведущей звездочкой шарнира внутреннего звена и дальнейшего поворота втулки относительно ролика на угол а. Износ И2 образуется при выходе из зацепления с ведомой звездочкой шарнира наружного звена.
Результаты замеров параметров Ит, И2 для 30 серийных и 30 модифицированных втулок после 60 часов наработки при ускоренных испытаниях и значения среднеквадратичных отклонений представлены в приложении 13, Измерения проводились микрометром типа МКО-25 ГОСТ6507-78, с ценой деления 0,01 мм. Разница между действительным значением диаметра для неизношенной и изношенной зоны дает нам глубину износа ИІ. Средние значения глубины износа для серийных втулок Иіс - 0,33 мм, И2с = 0,18 мм, для модифицированных втулок И1м = 0,27 мм, И2м = 0,13 мм (рис. 4.9). Износ серийной втулки выше, чем у модифицированной на 23% для шарнира внутреннего звена, и на 40% для шарнира наружного звена.
Толщина цементированного слоя для втулок цепи ПР19,05-31,8 составляет 0,2 - 0,3 мм, для зоны Иіс » 0,33 мм уже начался износ сердцевины втулки имеющей структуру сорбит и феррит, ориентированный по границам зерен. Микротвердость сердцевины втулки ниже твердости цементированного слоя, следовательно, снижается износостоикость втулки, статическая и усталостная прочность при ударе.
Своевременный контроль роликовых цепей калибром позволит избежать внезапных отказов цепной передачи по критерию износа цементированного слоя втулок. Далее приведена методика расчета калибра для цепи ПР-19,05-31,8 ГОСТ 13568-97. Исходные данные для расчета калибра контроля предельного износа втулок; типоразмер цепи ПР-19,05-31,8; диаметры втулки dB = 5,99+0,07, Da=8,6_ор05 и ролика dp = 8,7+0.11 Dp=11,9l0i2; число зубьев ведомой звездочки z = 19, профиль звездочки по ГОСТ 591-69; глубина цементированного слоя ц = 0,2...0,3 мм; допускаемая величина износа втулки принимаем [И] = 1,5ц = 0,3...0,45 мм; коэффициент неравномерного износа втулок Нвн - 1,83.
Проекции максимальных размеров износа на горизонтальную ось Ик1, ИК2 имеют меньший размер чем действительные максимальные износы Иітах, Игтах, вследствие смещения зоны износа на угол аи. В инженерном расчете параметры Икі, Ик2 можно определить зная И1гпзх Игтахі без решения квадратных уравнений пересечения окружностей с прямыми, графическим моделированием места износа в системе двухмерного графического редактора (типа AutoCAD). Для графического моделирования используем схему, показанную на рисунке 4.12, б, где геометрический износ втулки интерпретируется смещением ролика в тело втулки на глубину Иір направление смещения совпадает с углом а .
Результаты относительной статической прочности при испытаниях на разрыв представлены на рисунке 4.15. Наиболее благоприятное расположение стыка по отношению к разрушающей нагрузке 0 и 45, соответственно менее благоприятное 135 и 180. Причина такого распределения обуславливается податливостью втулки. Согласно классификации деформаций представленной в таблице 3.3, 135 и 180 - являются деформациями, раскрывающими стык наружу. Такой тип деформаций нарушает целостность контура втулки, что обуславливает пониженную статическую прочность.
