Введение к работе
Актуальность работы. В отечественном машиностроении и в технике передовых стран всё чаще применяются пружины, работающие при больших скоростях нагружения с соударениями витков, а также пружины, нагружаемые до соприкосновения витков при значительной, но сравнительно малоцикловой статической нагрузке. Неблагоприятные условия при их эксплуатации приводят к остаточным деформациям, к снижению несущей способности пружин, к развитию скрытых дефектов металла и к их разрушению, что снижает надёжность и безопасность механизмов и машин.
Известные способы изготовления пружин не позволяют получать пружины сжатия, удовлетворительно работающие при динамических или статических контактных давлениях между витками. Упрочнение пружин контактным заневоливанием, заключающимся в дополнительном сдавливании сжатых до соприкосновения витков пружины, не получило широкого применения в связи с несовершенством существующей теории и методики контактного заневоливания, а также способов и устройств для его осуществления.
А с другой стороны, упрочнённые таким способом пружины сохраняют свою силовую характеристику в течение длительного срока эксплуатации.
Назрела необходимость развития теории контактного заневоливания, позволяющей аналитически на стадии подготовки производства определять силовые и геометрические параметры пружин, а также требуемую нагрузку контактного заневоливания и предельную нагрузку на пружину. В дополнение к такой теории следует усовершенствовать методику контактного заневоливания пружин, разработать способ их изготовления, а также спроектировать устройство для заневоливания.
Цель работы. Повышение ресурса (релаксационной стойкости) винтовых цилиндрических пружин сжатия на основе развития методики контактного заневоливания.
Идея работы. Повышение ресурса винтовых цилиндрических пружин сжатия контактным заневоливанием путём создания остаточных напряжений для уменьшения части рабочих напряжений, возникающих в витках пружин, в том числе в местах межвиткового контакта, при их эксплуатации.
Методы исследования. В работе использованы, в основном, механико-математические методы исследования. В частности, для анализа напряжённо деформированного состояния пружин применён метод малых упруго-пластических деформаций. Экспериментальная работа проведена в соответствии с традиционными методами испытаний цилиндрических пружин сжатия. Результаты экспериментов обработаны методами математической статистики с расчётами на ПЭВМ. Силоизмерительные устройства были охвачены метрологическим контролем.
Научная новизна работы:
теоретически решена задача упрочнения винтовых цилиндрических пружин сжатия из круглой проволоки с помощью контактного заневолива-ния под действием двух силовых факторов в сечении витка - крутящего момента и значительной контактной нагрузки сжатия между витками. Построена математическая модель, позволяющая решать прямые и обратные технологические задачи;
исследована форма и величина упругой части сечения витка пружины при контактном заневоливании при различных сочетаниях силовых факторов;
разработан алгоритм расчёта, позволяющий определить на ПЭВМ геометрические и силовые параметры коїггактного упрочнения пружин, а также установить предельную (критическую) нагрузку, после которой пружина вместо упрочнения разупрочняется;
установлено влияние нагрузки контактного заневоливания, а также входных геометрических и механических параметров на исходные силовые, геометрические параметры пружины и её функциональные свойства;
установлено влияние разбега исходных механических свойств и величины нагрузки контактного заневоливания на диапазон изменения итоговых характеристик пружины.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается корректностью допущений, принимаемых при разработке расчётных схем и математических моделей, применением апробированных методов интегрирования функций, использованием современных средств измерений, методов экспериментальных исследований, достаточным для решения поставленных задач объёмом материала, полученного при машинном эксперименте, приемлемой сходимостью теоретических и экспериментальных исследований. Расхождение результатов экспериментальных и теоретических исследований при этом не превысило 11,3 %.
Практическое значение полученных результатов заключается в том, что:
разработана методика контактного заневоливания винтовых цилиндрических пружин сжатия, отличающаяся от известных тем, что она позволяет на стадии проектирования и разработки технологического процесса определять геометрические и силовые параметры пружин, а также требуемую нагрузку заневоливания и предельную нагрузку на пружину;
спроектировано и изготовлено устройство для контактного заневоливания. Разработано руководство по применению, монтажу и эксплуатации устройства. Предложен способ изготовления винтовых цилиндрических пружин сжатия с применением контактного заневоливания. Устройство и способ защищены патентами РФ на изобретения;
разработанные методика и устройства для контактного заневолива-ния, способ изготовления винтовых пружин сжатия обеспечивают увеличение ресурса пружин на 40 % и повышение производительности труда при контактном заневоливании в два раза относительно обычного заневолива-ния;
в перспективе работа может быть использована для упрочнения пружин, работающих со значительными нагрузками до соприкосновения витков без инерционного зазора, например, в подвесках транспортных средств, вплоть до железнодорожных вагонов, но для этого нужно провести значительную экспериментальную работу по влиянию рассматриваемого метода упрочнения на циклическую прочность пружин.
Реализация результатов работы. Результаты исследований внедрены на Ставропольском ООО КПК «Автокрансервис», где партия изготовленных пружин установлена на подъёмники автомобильные гидравлические. Экономический эффект за счёт повышения ресурса пружин и снижения расходов потребителей составляет 25,57 рублей на одну пружину.
Кроме того, техническая документация по результатам работы принята к внедрению на ОАО «Автоприцеп КамАЗ», г. Ставрополь.
Результаты работы используются в учебном процессе на кафедре подъёмно-транспортных машин и роботов ЮРГТУ (НПИ) при проведении лекций, в курсовом и дипломном проектировании.
Апробация работы. Основные положения работы доложены и обсуждены на научно-технических конференциях Южно-Российского государственного технического университета (г. Новочеркасск, 2003 — 2006 гг.) и Ставропольского государственного аграрного университета (г. Ставрополь, 2003 — 2006 гг.); на заседании кафедры «Подъёмно-транспортные машины и роботы», 2006 г., ЮРГТУ (НПИ); на расширенном заседании кафедры «Технический сервис и ремонт машин», 2006 г., СтГАУ; на заседании объединенного научного семинара Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова, 2006 г., МГТУ.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 печатных работ в научных технических изданиях, рекомендованных ВАК; получено 3 патента РФ на изобретения.
Объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав и заключения по работе, списка литературы (100 наименований) и приложения. Диссертация содержит 193 страницы, в том числе 42 рисунка и 23 таблицы, приложение изложено на 56 страницах.
