Введение к работе
Актуальность темы диссертации. В современных условиях становится актуальной политика модернизации промышленности на основе создания новых поколений машин, технологий и материалов, обладающих качественно новыми функциональными свойствами, повышенными эффективностью, надежностью, эксплуатационными характеристиками. В конструкциях современных машин и механизмов широкое применение получили соединения с гарантированным натягом, благодаря возможности восприятия и передачи различных по величине, направлению и времени действия нагрузок. Анализ существующих типов соединений показал, что можно выделить в отдельную группу многоконтактные соединения, среди которых особое место занимают полиэксцентриковые соединения с натягом (ПЭСН), имеющих переменную жесткость как по длине соединения, так и по радиусу.
Анализ достижений отечественных и зарубежных научных школ показал, что для расчета полиэксцентриковых соединений применялись аналитические методы разработанные Г.В. Колосовым, Д.И. Шерманом, Н.Д. Тарабасовым, Е.И. Берникером, а так же численные А.Л. Квитка, П.П. Ворошко, И.В. Абрамовым, А.В. Щенятским, Е.В. Кулишом и др.
Большинство аналитических методов отечественных и зарубежных научных школ основано на использовании методов теории упругости с применением теории функции комплексного переменного. Использование итерационного подхода к решению задач аналитическими методами не позволяет оценить с достаточной точностью нагрузочную способность (НС) ПЭСН.
Практика расчетов ПЭСН свидетельствует об использовании конструкторами и технологами предприятий различных методик для неравножестких соединений с натягом, не учитывающих особенностей полиэксцентриковых соединений. Следовательно, развитие теории и методик расчета НДС и НС полиэксцентриковых соединений с натягом является актуальной задачей для машиностроения.
Цель работы - обеспечение требуемой нагрузочной способности полиэксцентрикового соединения с натягом на основе разработанной математической модели расчета с учетом уровня НДС и форм сопрягаемых деталей, позволяющей повышать эффективность и надежность машин с конструкциями ПЭСН и имеющей существенное значение для рассматриваемой области знаний.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
Определить погрешность аналитического метода расчета НС и НДС неравножестких соединений.
Разработать математическую модель ПЭСН, учитывающую переменные по радиусу и углу жесткостные характеристики сопрягаемых деталей, взаимное проскальзывание сопрягаемых деталей и условия контактного взаимодействия с учетом неравномерного распределения Рк и, как следствие, неравномерного уровня коэффициента трения.
Установить влияние конструктивных параметров на нагрузочную способность и НДС ПЭСН.
В рамках натурного эксперимента выполнить проверку выдвинутого в ходе исследования предположения о величине нагрузочной способности ПЭСН.
Разработать методику расчета нагрузочной способности полиэксцентриковых соединений с натягом на основе математической модели, учитывающей особенности распределения контактного давления и коэффициента трения.
Сформулировать рекомендации по проектированию полиэксцентриковых соединений с натягом с оптимальной нагрузочной способностью.
Объект и предмет исследования. Объектом исследования являются поликонтактные неравножесткие соединения с натягом. Предметом исследования являются нагрузочная способность и напряженно-деформированное состояние деталей полиэксцентриковых соединений с натягом.
Методы исследования. Теоретическое исследование и вычислительные эксперименты проведены при использовании МКЭ для неравножестких задач теории упругости. Экспериментальное исследование осуществлено на лабораторной установке, оснащенной электронно-усилительной и регистрирующей аппаратурой. Обработка результатов проводилась на ЭВМ.
Достоверность и обоснованность результатов. Достоверность обеспечивается заданной погрешностью вычислений в пределах 5 % и сходимостью результатов вычислительного и натурного экспериментов. Расхождение экспериментальных и расчетных данных составляет 4-10 %. Обоснованность подтверждается сходимостью результатов применения математической модели ПЭСН, учитывающей переменные по радиусу и углу жесткостные характеристики сопрягаемых деталей, взаимное проскальзывание сопрягаемых деталей и условия контактного взаимодействия на основе современных представлений теории упругости, механики деформируемого твердого тела и численных методах решения прикладных задач.
Научную новизну составляют:
-
Математическая модель ПЭСН, учитывающая переменные по радиусу и углу жесткостные характеристики деталей, вызывающие при их сопряжении неравномерное распределение Рк в различных условиях контактного взаимодействия, что учитывается при определении /тр, НС и НДС составных частей.
-
Закономерности изменения нагрузочной способности от относительного положения составных частей соединения и их геометрии, подтвержденная численными и натурными экспериментами.
-
В ходе натурного эксперимента подтверждены результаты, полученные в рамках численного моделирования, и установлено, что НС является нелинейной функцией от относительного угла поворота сопрягаемых деталей и их форм, оказывающих совместное влияние на распределение контактного давления и коэффициента трения. Нагрузочная способность соединения определялась по наименьшей прочности поликонтактного соединения, которому соответствует соединение «промежуточная деталь - внешняя деталь» для соотношений
D2/Di=l,5;e/Di = 0,l.
-
Методика численного расчета нагрузочной способности и НДС поликонтактных неравножестких соединений, под влиянием конструктивных факторов, технологии сборки, на основе конечно-элементных моделей для различных условий эксплуатации.
-
Рекомендации по выбору конструктивных параметров (величин натягов в посадках, выбора материалов для изготовления составных частей соединения, оптимальных форм деталей, величин эксцентриситета деталей, величины температуры распрессовки для материалов различных коэффициентов теплового расширения) поликонтактного неравножесткого соединения с целью повышения максимальной нагрузочной способности посадок и снижения концентрации напряжений в опасных участках деталей.
На защиту выносятся:
Математическая модель ПЭСН, учитывающая переменные по радиусу и углу жесткостные характеристики сопрягаемых деталей, взаимное проскальзывание сопрягаемых деталей и условия контактного взаимодействия, вызывающее неравномерное распределение Рк и, как следствие, неравномерный уровень коэффициента трения.
Законометрности изменения нагрузочной способности ПЭСН в зависимости от относительного положения составных частей соединения.
Результаты экспериментального исследования нагрузочной способности (на сопротивление осевому сдвигу) ПЭСН в зависимости от относительного положения составных частей соединения, подтверждающие адекватность предложенной методики расчета и выдвинутых в ходе теоретического исследования предположений.
Рекомендации по проектированию полиэксцентриковых соединений с оптимальной нагрузочной способностью.
Практическая ценность для теории. Предложенная методика численного расчета нагрузочной способности и НДС поликонтактных неравножестких соединений с натягом позволяет выбрать необходимые и достаточные для обеспечения требуемой НС величины натяга и длины сопряжения с учетом особенностей геометрии деталей, условий эксплуатации и способов обеспечения относительного смещения деталей.
Практическая ценность для практики. Разработанные рекомендации по выбору конструктивных параметров (величин натягов в посадках, выбора материалов для изготовления составных частей соединения, оптимальных форм деталей, величин эксцентриситета деталей, величины температуры распрессовки) поликонтактного неравножесткого соединения позволяют повысить максимальную нагрузочную способность посадок и снизить концентрации напряжений в опасных участках составных частей соединения.
Реализация результатов. Результаты диссертационного исследования применены при проектировании делительной головки для производства штампов. Применение поликонтактных неравножестких соединений с учетом разработанных рекомендаций позволило разработать абсолютно новую конструкцию делительной головки, что, в свою очередь, позволило снизить материалоемкость и трудозатраты при производстве штампов. Результаты исследования используются в учебно-образовательном процессе кафедры «Управление качеством» ИжГТУ им. М.Т. Калашникова при выполнении курсовых и дипломных проектов по курсу «Основы конструирования», «Конструирование мехатронных
моулей». Также использование результатов диссертационного исследования позволило спроектировать механизм перекоса для колонн направленного бурения, что позволило получать наклонно-направленные нефтяные и газовые скважины безподъемным способом.
Апробация работы. Основные научные положения и практические результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на научных конференциях: на международной конференции «Инновационные технологии - теория и практика». Дрезден, Германия, 2010 г.; на XII выставке-сессии инновационных проектов в рамках республиканского форума студентов, магистрантов, аспирантов и молодых ученых вузов, г. Ижевск, ИжГТУ, 2011; на XIII выставке-сессии инновационных проектов в рамках республиканского форума студентов, магистрантов, аспирантов и молодых ученых вузов, г. Ижевск, ИжГТУ, 2012; на 5-й Всероссийской конференции «Будущее машиностроения России», Москва, 2012 г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 статей, из них 6 статей в изданиях, рекомендованных ВАК РФ и получено 2 авторских свидетельства на полезную модель РФ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов, рекомендаций, библиографического списка из 127 наименований, содержит 139 страниц машинописного текста, 60 иллюстраций, 8 таблиц, 3 приложения.
