Введение к работе
Актуальность работы.
Соединения с натягом получили широкое распространение в машиностроении в связи с возможностью передавать большие по величине и различные по направлению нагрузки при сравнительно небольших габаритных размерах, что и обусловило их применение в ответственных узлах деталей машин, работающих продолжительное время в различных условиях нагружения и внешних средах. Трудно представить себе конструктивно наиболее эффективное и экономически выгодное решение по обеспечению нагрузочной способности (НС) соединений как крупногабаритных, так и минимашин, да ещё и с одновременным решением задач высокоточной сборки. Особый интерес для исследований представляет группа соединений с натягом, сохраняющих НС при многократном монтаже-демонтаже, обладающих большей надежностью и, одновременно, ремонтопригодностью, обусловленной возможностью сохранения сопрягаемых поверхностей путем введения в зону контакта масла под высоким давлением во время сборки-разборки.
Расчет нагрузочной способности соединений с натягом ведётся, в настоящее время, по известным зависимостям Ламе-Гадолина или численными методами, например, методом конечных элементов. При сборке, как правило, применяется фактический натяг, превышающий расчетную величину на 1,2 суммы высот микронеровностей сопрягаемых поверхностей. Фактическая величина натяга определяется путем измерения сопрягаемых поверхностей перед сборкой или контролем осевого перемещения (конические соединения). В работах Е.С. Гречищева, Л.Т. Балацкого, А.А. Ильяшенко, А.С. Зенкина, Г.А. Бобровникова, А.Л. Квитко, П.П. Ворошко и ряда других авторов, используется понятие контактной податливости стыка, которая учитывается в расчетах величины натяга. Контактной податливости стыка в гидропрессовых и многослойных соединениях уделено большое внимание и в работах учёных ИжГТУ: Абрамова И.В., Клековкина В.С., Турыгина Ю.В., Щенятского А.В. и др.
Успешное применение соединений с натягом во многом зависит: от конструкций и адаптированности к применяемому методу сборки; от правильного выбора и расчета геометрических параметров; от основных технологических факторов процесса сборки. Как показывает опыт, получаемый на практике результат, далеко не всегда соответствует расчетам, что связано с состоянием контактных поверхностей деталей соединений и погрешностью их изготовления. Следовательно, актуальным становится развитие методов неразрушающего контроля и мониторинга состояния соединений с натягом.
Исследования ряда зарубежных и отечественных специалистов в области неразрушающего контроля: Крауткремера Г., Крауткремера Й., Клюева В.В., Буденкова Г.А., Муравьёва В.В. и других, показали, что с помощью ультразвука можно определить изменение уровня отражения сигнала в различных точках контакта области сопряжения прессового соединения.
Интеграция результатов контроля зоны контакта акустическим эхо-импульсным методом с численным и аналитическим подходами к расчёту напряженно-деформированного состояния (НДС) является эффективным способом определения фактической нагрузочной способности соединений. Кроме того, акустический контроль дает возможность проследить за качеством создаваемых соединений. Совместное использование этих инструментов ранее не рассматривалось, однако очевидно, что оно позволит эффективно контролировать НС и состояние соединения во время сборки и эксплуатации. Таким образом, создание интегрированного метода оценки НС соединений с натягом, складывающегося из расчета и контроля результатов процесса сборки соединений, теоретической и экспериментальной оценки качества посадок с натягом, исследования напряжённо-деформированного состояния в зоне сопряжения деталей и прогнозирования эксплуатационного ресурса изделий, является актуальной задачей.
Целью работы является определение нагрузочной способности соединений с натягом, с учетом неравномерного контактного взаимодействия сопрягаемых поверхностей на основе интегрированного метода оценки.
Для реализации этой цели в работе решаются следующие задачи:
Разработка метода оценки НС соединений с натягом на основе интеграции данных ультразвукового контроля контакта сопрягаемых деталей с аналитическим и численным подходами к расчёту соединений с натягом.
Разработка методики измерения и оценки условий контактного взаимодействия деталей соединений с натягом методами неразрушающего контроля.
Исследование влияния шероховатости, контактного давления и остаточной концентрации масла на уровень прохождения и отражения ультразвукового сигнала через область контакта сопрягаемых поверхностей.
Объект исследования: соединения с натягом, в том числе гидропрессовые (ГПС), получившие, в настоящее время, широкое распространение в машиностроении, вследствие существенных преимуществ, в сравнении с другими видами соединений.
Предмет исследования: средства и методы теоретико-экспериментальной оценки и контроля нагрузочной способности соединений с натягом, позволяющие осуществить синтез соединений с позиций повышения прочности, надёжности и нагрузочной способности.
Методы исследования. Теоретический анализ выполнен на базе аналитических, численных методов математического моделирования и их интеграции в единый комплекс. Численное моделирование использовано для уточнения результатов расчёта НС с учётом факторов, оказывающих влияние на НС в ходе создания соединения. Для оценки достоверности полученных расчетных данных проведен эксперимент. Для контроля фактических условий контакта и нагрузочной способности применен акустический метод контроля в сочетании с разработанной методикой уточнения НС.
Научная новизна:
1. Для аналитического и численного подходов к расчёту получены зависимости фактического натяга, напряженно-деформированного состояния и нагрузочной способности соединений от изменяющихся параметров контакта сопрягаемых деталей, устанавливаемых посредством эхо-импульсного метода ультразвукового контроля (УЗК);
2. Экспериментально получены зависимости акустических параметров (величины ослабления ультразвукового сигнала, коэффициента отражения и коэффициента прозрачности) от шероховатости сопрягаемых поверхностей, контактного давления, наличия масла или масляной плёнки в зоне контакта, его свойств, позволяющие определить изменение напряженно-деформированного состояния, условий трения в зоне сопряжения и, следовательно, нагрузочной способности соединений с натягом.
3. Разработан интегрированный теоретико-экспериментальный метод оценки фактического натяга, напряженно-деформированного состояния, нагрузочной способности соединений с натягом, объединяющий результаты эхо-импульсного контроля зоны контакта с неравномерным давлением в сопряжении, аналитический и численный подходы к решению задач механики деформируемого твердого тела. Объединение заключается в разработке методики и применении обработанных и представленных в виде зависимостей результатов эхо-импульсного УЗК в аналитической и численно-аналитической моделях соединения для определения НС.
Достоверность положений и выводов диссертации обоснована хорошей сходимостью теоретических исследований с экспериментальными результатами. Принципиальных расхождений результатов и выводов, полученных в работе, с результатами и выводами других авторов нет.
Практическая ценность. Применение численного и аналитического методов для решения задачи механики деформируемого твердого тела и усовершенствованной математической модели позволяет оценить и спрогнозировать НС соединений с натягом с учётом факторов, влияющих на НС в процессе создания и эксплуатации соединения. Разработанная методика применения акустического эхо-импульсного метода контроля позволяет получить данные о контакте поверхностей сопрягаемых деталей соединения, которые используются при уточнении и расчете и уточнении текущего напряженно-деформированного состояния (НДС) и НС. Разработанный теоретико-экспериментальный метод позволяет осуществлять мониторинг НС, эффективно контролировать состояние соединений, в том числе и гидропрессовых, например, посадок шестерня-ось бумагоделательных машин, шестерня-вал тягового двигателя электровоза и т.д.
Полученные теоретические результаты и экспериментальные данные о зависимости параметров акустического контроля от шероховатости, условий контакта, НДС (калибровочные кривые) могут использоваться для контроля и количественной оценки существующих соединений.
Методика применима для широкого класса соединений с натягом, полученных различными способами сборки.
Теоретические положения и практические рекомендации, изложенные в диссертации, использованы в учебном процессе на следующих кафедрах: «Мехатронные системы» - курс «Основы конструирования и детали машин»; «Приборы и методы контроля качества» - курсы «Акустический контроль» и «Методы технической диагностики материалов и конструкций».
Апробация работы.
Основные положения и результаты были доложены и обсуждались на научно-техническом форуме с международным участием «Высокие технологии – 2004» (Ижевск, ИжГТУ, 2004г.); XVII российской научно-технической конференции с международным участием «Неразрушающий контроль и диагностика» (Екатеринбург, ИМАШ УрО РАН, 2005 г.); II-ой международной научно-практической конференции «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности» (Санкт-Петербург, Политехн. ун-т, 2006г.); III-ей российской научно-технической конференции «Разрушение, контроль и диагностика материалов и конструкций» (Екатеринбург, ИМАШ УрО РАН, 2007г.); на научных семинарах кафедры «Мехатронные системы» (Ижевск, ИжГТУ, 2004-07г.г.)
Публикации:
По теме диссертации опубликовано 8 печатных работ, в том числе 2 в изданиях, рекомендуемых ВАК.
Структура и объем диссертации.
Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы, изложенных на 170 страницах машинописного текста и двух приложений; содержит 57 рисунков и графиков, 13 таблиц, список литературы из 194 наименований.
