Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время продолжаются исследования в области совершенствования конструкций моментопередающих соединений и технологии их изготовления. Повешение эксплуатационной надежности моментопере-дающих соединений путем замены традиционно используемых шлицевых и шпоночных на профильные нашли широкое применение в ряде промышленных стран (Российской Федерации, Германии, Венгрии, Франции и США). Известно, что данные соединения используются в различных механизмах и машинах. Областью применения этих соединений являются редуктора общего назначения, коробки переключения скоростей, гитары станков и другие механизмы. Наряду с применением известных РК-3 профильных соединений получают распространение и конические профильные соединения, внедрение которых сдерживалось в основном сложностью их изготовления, однако которые достаточно успешно нашли применение в ряде промышленных стран, как в Германии и США. Одной из основных причин, которое сдерживало внедрение конических РК-3 профильных соединений, являлось малопроизводительная технология изготовления деталей соединения. В 2007г. данная задача успешно была решена в работе Зенина Н.В., который предложил способ высокоскоростного фрезерования на станках с ЧПУ, как валов, так и отверстий конической и цилиндрической профильной формы в условиях серийного производства. Таким образом, задача изготовления и контроля была решена, но отсутствие сведений о методике расчета и конструировании конических РК-3 профильных соединений, а именно: выбор и назначение конструктивных параметров при заданных внешних нагрузках и условиях эксплуатации соединения (например, многоразовая сборка и разборка) осталась нерешенной в полной мере. Особую актуальность и новизну данная задача имеет при применении данных соединений в металлорежущем оборудовании, где требуется многократная сборка и разборка соединения при одновременном обеспечении высокой точности положения вала с конической профильной посадочной поверхностью и жесткости соединения. В настоящее время известны отдельные примеры использования данных соединений с конусностью 1:10 и 1:20 в Германии. Одной из причин замены традиционно используемых конических соединений со специальной конусностью 7:24 на профильные, является прежде всего обеспечение неподвижности деталей соединения, а именно: отсутствие проворота, лучшая центрируе-мость по профильным поверхностям с равноосным контуром, уменьшение посадочной длины ступицы (втулки), а также высокая жесткость стыков соединения. Если первое преимущество, а именно: неподвижность, очевидно в силу геометрического замыкания профилей, то центрируемость для конических РК-3 профильных поверхностей в силу разного соотношения среднего посадочного диаметра и
эксцентриситета и жесткость необходимо исследовать. Уменьшение длины посадочной поверхности может быть использовано в сборочных единицах, типа глухие втулочные муфты, где при малых оборотах нет жестких требований к точности положения соединяемых деталей.
Степень разработанности темы. Исходя из анализа работ, посвященных изучению напряжений и деформаций при контактном взаимодействии твердых тел разнообразных форм, следует, что исследования в области расчета и конструирования точности и жесткости неподвижных разъемных конических РК-3 профильных соединений не проводились в полной мере, а известные из теории упругости решения подобных задач при учете погрешности формы деталей соединения не могут быть непосредственно использованы в рассматриваемом случае.
Рабочая гипотеза: состоит в том, что применение профильных соединений с равноосным контуром с числом граней равным трем обеспечит точность и жесткость моментопередающих соединений в условиях многоразовых сборок.
Объект исследования – конические неподвижные разъемные профильные соединения с равноосным контуром с числом граней равным трем.
Предмет исследования – процесс сопряжения деталей конического неподвижного разъемного профильного соединения, параметры напряженно-деформированного состояния соединения, упругие перемещения (отжатия) деталей соединения.
Область исследования соответствует п. 2 паспорта специальности 05.02.02: «…2. Теория и методы проектирования машин и механизмов, систем приводов, узлов и деталей машин».
Целью диссертационной работы является обеспечение работоспособности конических неподвижных разъемных РК-З профильных соединений на основе оценки точности и жесткости деталей соединений в условиях многоразовых сборок.
Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи:
-
Разработать математические модели конического вала с РК-3 профилем с учетом погрешности формы и математической модели конического отверстия во втулке с РК-3 профилем без учета погрешности формы.
-
Провести имитационные численные эксперименты по определению точности положения конического РК-3 профильного вала при образовании сопряжения, жесткости и прочности соединения в условиях многоразовых сборок, а также оценить влияние конструктивных параметров соединения, сил сборки и внешних нагрузок.
-
Разработать методику компьютерного моделирования для расчета напряжений и деформаций конического РК-3 профильного соединения на основе численного метода (МКЭ).
-
Провести экспериментальные исследования конических неподвижных разъёмных РК-З профильных соединений для определения упругих перемещений деталей соединения и жёсткости с целью оценки влияния конструктивных параметров, сборочных сил и внешних нагрузок.
Научная новизна работы:
-
Созданы математические модели деталей конического неподвижного разъёмного РК-З профильного соединения с учетом погрешности формы (вала) на базе известных решений, предназначенные для анализа влияния конструктивных параметров, сборочных сил и внешних нагрузок на напряженно-деформированное состояние деталей соединения при их сопряжении в условиях многоразовых сборок.
-
Разработана методика компьютерного моделирования для проектирования конического неподвижного разъёмного трёхгранного соединения с равноосным контуром, позволяющая оценить напряженно-деформированное состояние (НДС) деталей соединения.
-
Получены результаты комплексного исследования параметров конического неподвижного разъемного трехгранного профильного соединения с равноосным контуром с учетом фактического положения вала от конусности, силы сборки и внешней нагрузки.
Практическая значимость исследования работы заключается в разработке методики проектирования, а именно: расчета и конструирования конических неподвижных разъемных РК-3 профильных соединений. В выработке рекомендаций по выбору и назначению конструктивных параметров конических РК-3 профильных соединений работающих в условиях многоразовой сборки, а также в разработке методики компьютерного моделирования контактного взаимодействия деталей РК-3 профильного соединения нагруженного сборочной силой, крутящим моментом и радиальной силой на основе метода конечных элементов. Разработаны технические рекомендации и области применения конических неподвижных разъемных РК-3 профильных соединений.
Методы исследования применяемые в работе, основаны на использовании теории упругости, методе прикладной и вычислительной математики, методе конечных элементов (МКЭ), методе математической статистики, методе наименьших квадратов.
Положения диссертационной работы выносимые на защиту:
1) Математические модели конического РК-3 профильного вала с учетом погрешности формы и конического РК-3 профильного отверстия без учета по-
грешности формы, позволяющие реализовать анализ работоспособности неподвижных разъемных профильных соединений;
-
Результаты исследования процесса имитационного моделирования сопряжения неподвижного разъемного конического РК-3 профильного соединения при действии внешних нагрузок в объемной постановке;
-
Результаты исследования напряженно деформированного состояния неподвижного разъемного конического РК-3 профильного соединения при численном решении контактной задачи методом конечных элементов в объемной постановке.
Личный вклад автора состоит в формировании научной гипотезы, а также цели и задач диссертационной работы, сбор и анализ данных о проведенных ранее исследованиях. В разработке математических моделей деталей соединения, методики компьютерного моделирования, контактного взаимодействия деталей профильного соединения на основе метода конечных элементов. Проведение экспериментальных натурных исследований.
Достоверность результатов подтверждается результатами имитационного моделирования, получением достоверных данных численным решением МКЭ, а также результатами экспериментальных исследований проведенных на лабораторном стенде, выполненных автором.
Апробация работы. Основные результаты научных исследований обсуждались на научных семинарах ИрГУПСа, Забайкальского института железнодорожного транспорта и Братского государственного университета. Доклады по результатам исследований были представлены на следующих научных конференциях: материалы седьмой международной научно-практической конференции «Транспортная инфраструктура сибирского региона» (Иркутск-2016); материалы международной научно-практической конференции «Транссиб: на острие реформ» (Чита-2016); Восьмая международная научно-практическая конференция «Транспортная инфраструктура сибирского региона» (Иркутск-2017).
Внедрение результатов работы. Результаты работы внедрены в филиале «Дальневосточный» ООО «ТМХ-Сервис» взамен традиционных конических соединений, для обеспечения качества соединения шестерни с коническим посадочном отверстием на валу якоря тягового электродвигателя НБ-418К6 локомотива серии ВЛ80 с РК-3 профилем конусностью 1:10.
Публикации. Результаты исследований изложены в 3 научных работах, рекомендованных ВАК, в одном патенте на полезную модель и 4 статьях в разных изданиях.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов, библиографического списка из 138 наименований, приложений. Общий объем работы – 186 страниц, включая 13 таблиц, 61 рисунков.