Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ ГЛАВА 1
Состояние теории и технологии гидропрессовых
соединений
Гидропрессовый метод создания высокопрочных соединений с натягом
Состояние теории расчета напряженно-деформированного состояния и нагрузочной способности гидропрессовых соединений
Анализ методов расчета и выбора параметров технологических процессов сборки-разборки гидропрессовых соединений
Методика решения контактных задач в соединениях с натягом
Выводы и постановка задач исследования
Стр.
ГЛАВА 2 Теоретические основы и интегрированная модель
гидропрессового соединения 82
Основные концептуальные положения теории ГПС и интегрированная математическая модель 82
Вариационная постановка задачи 110
Контактная многосвязная задача ГПС 132
Трение и НДС в гидропрессовом соединении 147
Создание и течение смазочного слоя в кольцевом зазоре переменного сечения 164
Нагрузочная способность ГПС 189
Выводы
ГЛАВА 3 Исследование нагрузочной способности
и моделирование процессов гидропрессовой сборки
соединений
ГПС с цилиндрической посадочной поверхностью и подводом смазки с торца соединения
ГПС с цилиндрической посадочной поверхностью и маслораспределительной канавкой
ГПС с конической посадочной поверхностью и маслораспределительной канавкой
Выводы
ГЛАВА 4 Экспериментальная проверка основных положений
теории гидропрессовых соединений
Планирование экспериментальных исследований, экспериментальное оборудование и измерительный комплекс
Экспериментальная проверка ГПС с цилиндрической посадочной поверхностью при подводе масла с торца
Исследование ГПС с конической посадочной поверхностью
Выводы ГЛАВА 5 Промышленная апробация теории и технологии ГПС
Анализ объектов внедрения
Совершенствование конструкции и технологии сборки подшипниковых узлов гидропрессовым методом
5.3. Совершенствование конструкции и технологии
сборки зубчатых приводов гидропрессовым методом 291
Выводы 305
Заключение 308
Библиографический список 312
Приложение 1 333
Приложение 2 339
Приложение 3 342
Приложение 4 344
Приложение 5 347
Приложение 6 349
Приложение 7 353
Введение к работе
Эффективность, надежность, конкурентоспособность, качество изделий машиностроения, внедрение новых ресурсосберегающих технологий, техническое перевооружение предприятий определяется интегральными затратами на этапах проектирования, изготовления и эксплуатации.
Теоретические и прикладные исследования в области повышения нагрузочной способности (НС), технологичности, эксплуатационной надежности неподвижных соединений узлов машин, выполненные в последние десятилетия, привели к развитию эффективного гидропрессового метода сборки-разборки (ГПМС) соединений с натягом, обеспечивающего качество соединений, возможность автоматизации, регулирования натяга, небольших энергозатрат, динамичности сборочного процесса, отсутствие повреждений сопрягаемых поверхностей.
В 80-е годы исследователями отраслевой лаборатории проблем надежности был накоплен большой практический опыт сборки гидропрессовых соединений (ГПС) нефтедобывающего, бумаго- и картоноделательного оборудования, валов прокатных станов, подвижного состава тепловозов, трамваев, созданы новые способы создания давления и схемы подвода масла в зону контакта во время сборки-разборки соединения, в производственных условиях подтверждена возможность многократного монтажа-демонтажа соединений, следовательно, их высокая ремонтопригодность и работоспособность.
Сложная и комплексная проблема, связывающая в единый процесс проектирование, изготовление, экспериментальную доводку и эксплуатацию изделий, требует обобщения положений механики деформируемого твердого тела, механики жидкости, современных представлений о контактном взаимодействии, теории автоматического управления.
Анализ уровня теории и прикладных исследований ГПС показал, что существующие конструкторско-технологические подходы к повышению НС и расчетам параметров ГПМС были основаны на решении плоской задачи
6 Ламе-Гадолина без учета реальных форм сопрягаемых деталей, уровня напряженно-деформированного состояния (НДС), влияния оснастки, процессов, происходящих в зоне контакта при сборке, масляного слоя на фактическую величину натяга и параметры трения.
Проблемы технологии и НС прессовых соединений отражены в работах отечественных ученых А.Г.Рохлина, Г.Я.Андреева, А.А.Ильяшенко, Г.А. Бобровникова, Н.С.Беляева, Е.И. Гречищева и зарубежных Е.Шмида, Р.Коха, Р.Лозена, И.Молера, Б.Парсона, Е.Вильсона, М.Маловаля и других. Анализ работ показал, что главной задачей исследований являлось повышение НС соединений, работающих в зоне упругих деформаций.
Совершенствование конструкций ГПС и технологии их сборки рассмотрено в работах Б.Ф.Федорова, И.В.Абрамова, В.Б.Федорова, К.А.Глуховой, В.С.Ноткина, Н.С.Беляева с применением основных положений гидродинамической теории смазки Н.П.Петрова.
Коэффициенты трения, влияющие на НС неподвижных соединений, работающих в зоне упругих деформаций, рассмотрены в работах Н.К.Баранова, Е.Ф.Бежелуковой, Г.А.Бобровникова, А.Б.Короны, И.В. Кра-гельского, Г.И.Лукашевича.
Исследования В.Л.Колмогорова, Г.Л.Колмогорова, В.И.Казаченка, Н.Н.Малинина направлены на изучение упругопластического деформирования материалов в условиях жидкостного трения. Параметры смазочного слоя, при решении задачи Навье-Стокса определялись аналитически с допущением о постоянной форме зазора.
Проведенный анализ показал, что условия сборки оказывают влияние на взаимодействие составных частей, вызывая пластические деформации, снижая нагрузочную способность ГПС. Поэтому, важное место в современных исследованиях занимают процессы, протекающие в зоне контакта, во время сборки и определение НДС деталей сложной геометрической формы.
Результаты экспериментальных исследований показали, что при ГПМС
среднее значение коэффициента трения значительно колеблется из-за нестабильности технологических процессов, параметры которых получены для зазоров простой формы без учета механизма создания, течения масляного слоя между деталями соединения с неравномерно деформируемыми сопрягаемыми поверхностями.
Разработка научно обоснованных методик с математическим и программным обеспечением, основанных на современных положениях гидродинамической теории неуплотненного поршня, механики деформируемого твердого тела, и их реализация позволит управлять НС, технологичностью, работоспособностью, долговечностью и качеством узлов. Следовательно, проблема для современного машиностроительного производства важная и актуальная.
Отсутствие обобщенной теории гидропрессовых соединений, которая могла бы объяснить, установить связь технологических параметров процессов подготовки, сборки-разборки с НС, НДС, свойствами материалов составных частей соединения, гидростатическими и гидродинамическими эффектами в зоне контакта, гарантировать устойчивое разъединение деталей сложной формы масляным слоем и стабильность процесса, сдерживает широкое применение ГПС.
Настоящее исследование ставит своей целью создание теории гидропрессовых соединений на основе решения многосвязной контактной задачи механики деформируемого твердого тела и механики жидкости при воздействии внешних нагрузок и изменяющихся условий трения для повышения эффективности проектного, технологического и эксплуатационного этапов.
На основе проведенного анализа современного состояния теории ГПС, возможностей ГПМС, существующих методов расчета технологических параметров, обоснована возможность математического моделирования ГПС методом конечных элементов (МКЭ) для многосвязной контактной упругой и упругопластической задач.
При достижении поставленной цели были решены следующие задачи:
Сформированы основные положения теории ГПС, базирующиеся на вариационном подходе решения многосвязных контактных задач механики деформируемого твердого тела и механики жидкости для расчета НС, параметров технологических процессов (ПТП), с учетом реальных конструктивных форм деталей, НДС составных частей соединения, условий нагружения, изменяющейся реологии смазки, создания и течения смазочного слоя.
Разработана интегрированная математическая модель (ИММ) гидропрессового соединения, позволяющая определить НС и уровни ПТП. Отличительной особенностью ИММ является синтез внутренней и внешней многосвязных контактных задач на основе современных методик расчета НДС деталей соединения и течения жидкости в кольцевом зазоре переменной величины.
Построена математическая модель процесса течения смазки с изменяющейся вязкостью, в деформируемом шероховатом кольцевом зазоре переменного сечения в продольном направлении во время сборки-разборки ГПС с учетом воздействия технологической оснастки.
Создана механико-математическая модель контактного взаимодействия, позволяющая учесть условия трения, реальные деформации сопрягаемых поверхностей и основанная на оригинальных представлениях о механизме проникновения смазки под высоким давлением в зону контакта.
Выявлены закономерности изменения НДС, прочности ГПС и ПТП гидропрессового метода сборки-разборки при различном внешнем силовом воздействии, схемах подвода жидкости и способах создания давления.
Разработана и теоретически обоснована методика расчета НС и ПТП на этапах создания и эксплуатации реального гидропрессового соединения с учетом истории нагружения материалов деталей.
Научной новизной работы являются: обобщенная теория ГПС, дающая новое представление о влиянии параметров гидропрессового метода сборки на НС, НДС деталей при запрес-
совке и после нее. Уникальные результаты, заключающиеся в установлении процессов, происходящих при сборке и эксплуатации ГПС, прогнозировании поведения широкого класса ГПС, управлении НДС, НС и ПТП получены при вариационном подходе к решению многосвязной контактной задачи механики деформируемого твердого тела и механики жидкости. Кроме того, обобщенная теория учитывает упругое, упругопластическое состояние материалов деталей, их формы, способы подвода жидкости в зону контакта, ее реологические свойства, изменяющиеся по эмпирическим зависимостям и являющиеся функциями давления, температуры и скорости течения;
оригинальное решение многосвязной контактной задачи, представленное системой линейных уравнений, сформированных на основе вариационного подхода, учитывающего сложные формы деталей, неравномерность распределения внешних и внутренних нагрузок, свойств материалов по объему, течения смазки в кольцевом зазоре переменной высоты;
научные закономерности определения рационального положения масло-распределительных канавок в гидропрессовых соединениях сложной формы и расчета технологических параметров гидропрессового метода сборки, обеспечивающие гарантированное разъединение охватывающей и охватываемой деталей масляным слоем при минимальных уровнях давления и силы запрессовки;
интегрированная математическая модель гидропрессового соединения, технологии его сборки-разборки и алгоритм ее реализации для многосвязной контактной задачи, основанный на итерационном уточнении внешних и внутренних силовых факторов, действующих на охватываемую и охватывающую детали, перемещений в зоне сопряжения, скоростей течения жидкости в деформируемом зазоре, и учитывающий изменение физико-механических и реологических свойств материалов.
Теоретическое исследование и вычислительные эксперименты проведены для осесимметричных многосвязных контактных задач механики деформируемого твердого тела и механики жидкости при упругом и упруго-
пластическом состоянии материалов деталей соединения, разъединяемых масляной прослойкой, нагнетаемой под высоким давлением в зону контакта. Методические основы диссертационной работы базируются:
на развитии прикладной теории взаимодействия технологической жидкости и сопрягаемых деталей соединения;
на современных представлениях механики деформирования сплошных сред о физико-механических характеристиках материалов и НДС с использованием метода конечных элементов (МКЭ);
на законах течения жидкости в кольцевом зазоре переменной высоты по длине зоны контакта;
на создании виртуальных моделей ГПС и технологических процессов гидропрессовой подготовки, сборки и разборки соединений с натягом;
на разработке, проектировании и применении эффективных и высоконадежных конструкций составных частей соединений;
на совершенствовании технологических процессов.
Достоверность обеспечивается использованием методов математиче
ской статистики при оценке погрешностей численных и натурных экспери
ментов. Обоснованность подтверждается:
экспериментальной проверкой основных теоретических выводов, интегрированной математической модели гидропрессового соединения и технологии его сборки;
сопоставлением результатов с опытными данными, опубликованными в научных изданиях и сходимостью полученных теоретических результатов с данными эксперимента;
внедрением результатов исследования в производство.
Новизна технического решения подтверждается двумя авторскими свидетельствами на полезные модели.
Практическая ценность работы состоит в том, что разработанные в диссертации положения обобщенной теории ГПС, позволяют обеспечить качест-
11 во сопрягаемых поверхностей, упругое НДС деталей соединения, требуемую НС при многократных сборках-разборках и снижение мощности технологического оборудования.
Найденные научные и технические решения задач, моделирование технологического процесса ГПС существенно сокращают объем исследований, трудоемкость, время разработки конструкторско-технологической документации, снижают материальные затраты при проектировании новых высокопрочных гидропрессовых соединений с натягом.
Практические положения методики повышения эффективности сборки-разборки и создания гидропрессовых соединений с оптимальным НДС внедрены в практику работы конструкторов и технологов ОАО НИИ «Буммаш», ОАО «Буммаш», предприятий целлюлозно-бумажной промышленности.
Апробация основных научных положений и практических результатов диссертационной работы проводилась на научно-технических конференциях ИжГТУ, республиканских научно-технических конференциях (Ижевск, 1983 -2001); Всероссийской научно-технической конференции (Ижевск, 1985); IV международной конференции (Bethel, USA, 1994); Международной научно-практической конференции «Проблемы системного обеспечения качества продукции промышленности», (Ижевск, 1997); Пятой международной конференции «Dynamics of the machine aggregates 2000», (GabCikovo, Slovak Republic).
По теме диссертации опубликовано 30 работ, в том числе получено два авторских свидетельства на полезную модель РФ, одна монография (в соавторстве). Результаты работы использованы в методике расчета трубчатых валов бумагоделательных машин ОАО «Буммаш», производстве составных каландровых валов, узлов привода, монтаже бумагоделательных машин.
В первой главе проведен анализ уровня теории и прикладных исследований напряженных соединений с натягом и методов их сборки, который показал, что сборка - разборка соединений проводится в различных условиях взаимодействия сопрягаемых поверхностей. Установлено, что гидропрессо-
вый метод обеспечивает полное или частичное разъединение охватывающей и охватываемой деталей масляным слоем. Следовательно, взаимное перемещение сопрягаемых поверхностей ступицы и вала происходит в условиях сухого, граничного (полужидкостного) и жидкостного трения.
На основе проведенного анализа современного состояния теории ГПС, возможностей ГПМС, существующих методов расчета технологических параметров, сформулированы задачи исследования, обоснована возможность математического моделирования ГПС методом конечных элементов (МКЭ) для многосвязной контактной упругой и упругопластической задач.
Вторая глава посвящена теоретическим основам, разработке интеїри-рованной математической модели ГПС и ГПМС, особенностям расчета нагрузочной способности, конструирования и создания эффективной технологии сборки-разборки гидропрессовых соединений, требующих обеспечения комплексного решения трех взаимосвязанных задач.
Создана теория ГПС, основанная на концептуальных положениях, дающая целостное достоверное представление о закономерностях и существующих связях НДС, нагрузочной способности ГПС, свойств материалов составных частей, гидростатических и гидродинамических эффектов в зоне контакта с конструкцией деталей соединения, технологией их изготовления и режимами сборки, позволившая разработать ИММ для повышения эффективности конструкторского, технологического и эксплуатационного этапов.
Третья глава посвящена исследованию НДС, нагрузочной способности ГПС и моделированию процессов гидропрессового метода сборки трех основных групп ГПС и ГПМС.
Проведенные исследования подтвердили, что реализация интегрированной математической модели соединения и гидропрессовой сборки на примере трех основных групп ГПС, позволила установить влияние маслораспредели-тельных элементов, схем подвода технологической жидкости, геометрических форм на ПТП и НС высокопрочных ГПС. Исследования, проведенные с по-
мощью ИММ, исключили экспериментальную доводку изделий и оснастки, ускорив подготовку производства и внедрение высокопрочных соединений.
В четвертой главе теоретические исследования диссертации подвергнуты экспериментальной проверке. Проведено планирование экспериментов, оценена их точность и показана методика обработки результатов. Исследования проведены с помощью тензометрических комплексов, сигналы которых обрабатывались в ходе эксперимента на АЦП и ПЭВМ, и записывались на жесткий носитель. Для экспериментов выбраны два вида опытных соединений, экспериментальные установки, датчики сил, перемещений и давления. Исследования проводились с коническими и цилиндрическими ГПС.
Установлено, что интегрированная математическая модель адекватно описывает процессы сборки-разборки гидропрессовых соединений с различными схемами подвода смазки в зону контакта и определяет перемещения деталей соединения, параметры ГПМС и нагрузочную способность. На основе предложенной ИММ стало возможным назначение технологических и конструкторских параметров ГПС с достаточной обоснованностью и точностью.
В пятой главе проведена промышленная апробация результатов теоретических и экспериментальных исследований в промышленных условиях и осуществлено их внедрение в перспективные конструкции, технологические процессы сборки и эксплуатационное обслуживание узлов машин. Объектом внедрения были выбраны узлы бумаго- и картоноделательных машин, повышение надежности, эксплуатационной эффективности которых, является основной задачей научно-исследовательских работ, проводимых кафедрой «Основы машиноведения и робототехника» Ижевского государственного технического университета совместно с ОАО «Буммаш».
Проведенные эксперименты показали, что применение ИММ при проектировании конструкций гидропрессовых соединений и разработке технологии сборки позволяет оптимизировать НДС деталей соединения, обеспечить жидкостное трение, целостность сопрягаемых поверхностей и требуемую на-
грузочную способность при минимальных значениях параметров ГПМС.
Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, выводов и рекомендаций, библиографического списка из 210 наименований, содержит 355 страниц машинописного текста, 130 иллюстраций, 12 таблиц, приложения.
На защиту выносятся:
Обобщенная теория гидропрессовых соединений, учитывающая влияние технологии сборки на НДС деталей, НС и уровень ПТП.
Интегрированная математическая модель гидропрессового соединения и процесса сборки-разборки, адаптированная к большому кругу многосвязных контактных задач.
Результаты исследования НДС, нагрузочной способности ГПС и технологических параметров ГПМС с помощью ИММ.
Результаты экспериментальной проверки, подтверждающие адекватность ИММ.
Автор выражает свою признательность научному консультанту И.В.Абрамову, коллегам по кафедре «Основы машиноведения и робототехника» ИжГТУ, благодарность за советы, критические замечания профессору О.И.Шаврину, профессору В.И.Гольдфарбу, консультации профессору В.А.Тененеву, поддержку профессору Ф.Ф. Фаттиеву, профессору Б.АЛкимовичу и профессору Ю.О. Михайлову.
