Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ состояния вопроса и задачи исследования
1.1 Анализ дефектов валов механизмов машин и причины их возникновения
1.2 Существующие способы восстановления рабочих поверхностей валов, образующих неподвижные соединения
1.3 Цели и задачи исследования 29
2 Основы теоретических исследований
2.1 Математическая модель нагружения комбинированного восстановительного покрытия
2.2 Реализация математической модели в программном комплексе ANSYS
2.3 Компьютерное моделирование функционирования соединения «подшипник-вал», восстановленного комбинированным способом
3 Методические аспекты исследования 44
3.1 Методика определения физико-механических характеристик исследуемых материалов
3.2 Методика исследования реологических свойств полимерных композиционных материалов
3.3 Метод и программный комплекс для определения параметров обобщенной модели Максвелла
4 Результаты экспериментальных исследований 62
4.1 Результаты исследования физико-механических свойств комбинированных покрытий
4.2 Результаты исследования реологических свойств полимерных композиций МТЗ 80/82
4.3 Результаты математического моделирования процесса нагружения восстановленного подшипникового соединения
Общие выводы 73
Список использованных источников
- Существующие способы восстановления рабочих поверхностей валов, образующих неподвижные соединения
- Реализация математической модели в программном комплексе ANSYS
- Методика исследования реологических свойств полимерных композиционных материалов
- Результаты исследования реологических свойств полимерных композиций МТЗ 80/82
Существующие способы восстановления рабочих поверхностей валов, образующих неподвижные соединения
Надежная работа новых и отремонтированных тракторов, автомобилей, сельскохозяйственных машин, оборудования технологических линий перерабатывающих предприятий в значительной мере обусловлена техническим состоянием рабочих поверхностей валов, которые вместе с посадочными отверстиями сопряженных деталей образуют неподвижные соединения. Из-за изменения первоначальных размеров этих деталей под воздействием износ-ных, силовых и температурных эксплуатационных факторов происходит появление возможности относительного смещения их контактирующих поверхностей, что неминуемо приводит к возникновению новых триботехниче-ских условий функционирования соединения, которые усугубляют процесс изнашивания поверхностей образующих его деталей.
Основной общепризнанной причиной изменения начальных размеров деталей машин при их эксплуатации является изнашивание - процесс постепенного разрушения материала рабочих поверхностей, происходящий при трении или других видах контакта элемента с внешней средой и сопровождающийся изменением его свойств (твердости, пластичности структуры, химического состава и т.д.). Износ - результат изнашивания, проявляющийся в виде изменения размеров и других параметров детали или другого элемента машины [1].
Известны виды изнашивания деталей и сопряжений, как механическое, молекулярно-механическое и коррозионно-механическое. К механическому изнашиванию относятся абразивное, гидроабразивное, усталостное, кавита-ционное и другие [2,3].
Согласно общепринятой классификации в зависимости от условий ра-8 боты все детали по виду изнашивания можно разбить на пять групп [5]. К первой группе относятся детали ходовой части мобильных машин, для которых основным фактором, определяющим их долговечность является абразивное изнашивание; ко второй группе (шлицевые валы, зубчатые муфты, венцы маховиков) - детали, у которых основным фактором, лимитирующим долговечность, является износ вследствие пластического деформирования; к третьей группе (гильзы, головки блоков цилиндров, распределительные валы, толкатели, поршни, поршневые кольца) - детали, для которых доминирующим фактором является коррозионно-механическое или молекулярно-механическое изнашивание; к четвертой (шатуны, пружины, болты шатунов ) - детали, долговечность которых лимитируется пределом выносливости; к пятой группе (коленчатые валы, поршневые пальцы, вкладыши подшипников, отдельные зубчатые колеса коробки передач и другие) - детали, у которых долговечность зависит одновременно от износостойкости трущихся поверхностей и предела выносливости материала деталей.
Многие детали имеют несколько рабочих поверхностей, работающих в различных условиях. По наиболее изнашивающейся поверхности или наиболее вероятному признаку разрушения эти поверхности следует отнести к той группе, по которой лимитируется срок службы детали.
Около 57…60% всех дефектов деталей сельскохозяйственной техники являются дефектами наружных цилиндрических поверхностей, поэтому наиболее часто приходится восстанавливать детали типа «вал» [54].
Анализ деталей типа «вал» основных марок тракторов и зерноуборочных комбайнов по признакам характера их нагружения, геометрических форм поверхностей, материалов, размеров, твердости и величин износа поверхностей показал, что 72% рассмотренных деталей работают при знакопеременном изгибе (циклическая нагрузка) и переменном изгибе с кручением (сложнонапряженное состояние). Подавляющее большинство (до 80%) изнашиваемых и восстанавливаемых поверхностей имеют цилиндрическую форму. Наиболее часто восстанавливаются поверхности диаметром 20…50 мм и с износом 0,05…0,30 мм на сторону. 40% деталей изготавливаются из углеродистых закаливаемых сталей 40, 45 и 50, модальные значения твердости изнашиваемых и восстанавливаемых поверхностей валов составляют HRC 18…35 и HRC 50…65.
В результате изучения литературных данных можно заключить, что для восстановления стальных автотракторных деталей типа «вал» наиболее рациональны способы, позволяющие наносить слой металлопокрытия толщиной 0,10…0,25 мм на сторону после механической обработки, обеспечивающие твердость металлопокрытия в пределах HRC 50…55 и не дающие существенного снижения усталостной прочности деталей. В тракторах, автомобилях, сельскохозяйственных машинах применяют различные по конструкции, материалу, и термической обработке валы и оси. Для получения большей износостойкости их подвергают термической или термохимической обработке [5].
Некоторые детали, изготовленные из легированных сталей, цементируют на глубину 1,0 - 1,5 мм, закаливают в масле и отпускают до получения твердости поверхностей 40- 62 HRC. Детали, изготовленные из углеродистой стали ( с содержанием углерода 0,4% и более ), закаливают током высокой частоты ( ТВЧ ) и отпускают. Валы тракторов, изготовленные из стали 40Х, цианируют на глубину 0,2 - 0,3 мм до получения твердости 48 - 53 HRC.
Реализация математической модели в программном комплексе ANSYS
Объмный модуль восстановительного материала зависит от температуры эксплуатации восстановленного подшипникового узла, К=Дт). - реокинетитеские константы (время релаксации и объмный модуль) приводятся к температуре эксплуатации.
Применительно к условиям поставленной задачи решение данной системы дифференциальных уравнений в частных производных аналитическими методами не представляется возможным.
Наиболее достоверно и полно описать НДС элементов восстановленного подшипникового узла позволяют технологии компьютерного моделирования, поэтому в качестве среды моделирования выбрана универсальная программная система конечно-элементного анализа ANSYS (ANSYS Inc., США), а основного инструмента - язык параметрического программирования APDL (ANSYS Parametric Design Language). 2.2. Реализация математической модели в программном комплексе ANSUS
С учетом геометрических особенностей подшипникового узла и общеизвестных рекомендаций, изложенных в работах [60-64], область исследования ограничена непосредственно зоной соединения "восстановленный вал -подшипник" (приведена на рис.1). В качестве объекта использовано восстановленное подшипниковое соединение первичного вала коробки передач автомобиля ГАЗ-53-12 (подшипник 50209).
Нагружение подшипникового соединения осуществляется в несколько последовательных шагов с передачей НДС между ними. На первом шаге на-гружения моделируется монтаж кольца подшипника на валу по известной посадке с натягом за счет предварительно заданной разницы диаметров сопрягаемых деталей (d2 D1). На втором шаге нагружения к восстановленному валу прикладывается направленная вертикально вниз радиальная нагрузка, величина которой задается в соответствии с предварительно определенными нагрузками в подшипниковом узле. На третьем шаге нагружения моделируется выдержка элементов узла под радиальной нагрузкой, заданной на предыдущем шаге, в течение длительного времени с целью исследования влияния релаксационных процессов в металлополимерном покрытии вала на НДС элементов подшипникового соединения.
Конечно-элементная модель построена по схеме "снизу вверх" в препроцессоре PREP7 системы ANSYS. На первом этапе построения с учетом симметрии модели созданы 2D-сечения подшипника, металлополимерного слоя и вала с исходными размерами, обеспечивающими необходимый натяг в соединении. На втором этапе созданы и инициализированы три модели материалов. Первая, неогуковская модель, описывает поведение материала металлополи-мерного покрытия и определяется модулем сдвига и параметром несжимае-36 мости. Релаксационные свойства материала металлополимерного покрытия предварительно исследованы в ходе ускоренных испытаний в климатической камере универсальной испытательной машины UAI-7000 М и заданы в модели в виде параметров релаксационных PRONY-функций для объемного и сдвигового модулей. Модели материала вала и подшипника созданы на основе модели Гука и инициализированы на основе справочных данных.
На третьем этапе на все созданные площади сечений нанесены сетки твердотельных конечных элементов типа PLANE182 (рис. 2а) в плоском деформированном состоянии (Z strain = 0.0) с использованием смешанной U-p-формулировки. Созданная конечно-элементная сетка соединения "восстановленный вал - подшипник" состоит из 6236 элементов и 11156 узлов (рис. 2.3).
На четвертом этапе с помощью модуля Contact Manager созданы две контактные пары соединения, использующие в контактном алгоритме расширенную формулировку Лагранжа для повышения сходимости решения. Первая, типа "Standard" позволяет моделировать скольжение с трением в паре "металлополимерное покрытие - подшипник". В результате создания данной контактной пары на соответствующую поверхность конечно-элементной сетки металлополимерного покрытия автоматически нанесена сетка контактных элементов типа CONTA171 (рис. 2б), а на сопряженную поверхность конечно-элементной сетки подшипника - целевые элементы типа TARGE169 (рис. 2в). Трение в данной паре автоматически учитывается системой на основе предварительно задаваемого коэффициента трения.
Вторая, типа "Bonded", позволяет смоделировать адгезионное взаимодействие в паре "металлополимерное покрытие - вал". В данной контактной паре контактные элементы типа CONTA171 автоматически нанесены на соответствующую поверхность конечно-элементной сетки металлополимерно-го покрытия, а целевые элементы типа TARGE169 - на сопряженную поверхность конечно-элементной сетки вала. Общее количество конечных элементов модели выбрано с учетом рекомендаций [64], специфики геометрии металлополимерного слоя и результатов предварительных расчетов.
Методика исследования реологических свойств полимерных композиционных материалов
Экспериментальные исследования по определению прочности сцепления металлополимерных покрытий с основным металлом при сдвиге были проведены в соответствии с методикой, представленной в п. 3.1.
На первом этапе, согласно разработанной методике, определялись пределы прочности при сдвиге полимерных покрытий, нанеснных на чистую поверхность образца. При этом использовалась съемная матрица с внутрен-12Н7 ним диаметром f6 .
Для приближения условий испытаний к реальным эксплуатационным образцы с нанесенным полимерным покрытием нагревались до температур 50С, 80С, 110С соответственно. Для сравнительного анализа и обоснования выбора композиционного материала, входящего в состав комбинированного покрытия, были исследованы прочностные свойства лучших в своем классе полимерных материалов, близких по технологическим свойствам: клей-компаунд АНАТЕРМ-201, АНАТЕРМ-203 (Россия); Loctite 3472 (ФРГ)); «БЕЛЬЗОНА 1111» (Италия) и «АБРА» (США).
В процессе исследований на втором этапе определялись пределы прочности сцепления при сдвиге выбранных полимерных материалов с образцами из стали. Результаты исследований представлены в табл. 4.1. На рис. 4.1 приведены графические зависимости абсолютной деформации сдвига полимерных материалов от нагрузки. Таблица 4.1 Предел прочности
Результаты исследований показали очень низкую (не более 1,86 МПа) адгезионную прочность полимерных материалов по «чистой» поверхности образцов (Rz = 20 мкм) даже при температуре испытания 200С, что указывает на нежелательность их применения для восстановления подшипниковых соединений без предварительной обработки восстанавливаемой поверхности детали.
Далее для исследований были выбраны полимерные композиции Ана-терм-201 и Loctite 3472 как имеющие максимальную адгезионную прочность.
На втором этапе исследуемые полимерные материалы наносились на предварительно подготовленную поверхность стального образца методом ЭМО. Результаты испытаний на разных температурных режимах представлены на рис. 4.1. Рисунок 4.1 - Изменение предела прочности на сдвиг полимерных композиций Анатерм-201 и Loctite 3472
Исследование когезионной прочности полимерных покрытий, полученных на основе ипользования Анатерм-201 и Loctite 3472, в зависимости от температуры испытаний показали, что значения предела прочности на срез у этих материалов близки.
Результаты исследования реологических свойств полимерных композиций С целью выявления возможности применения полимерных композиции Анатерм-201 Loctite 3472 и для восстановления изношенных посадочных поверхностей валов были проведены исследования их реологических свойств. Для этого использовалась методика, изложенная в п. 3.2. Исследования проводились в диапазоне рабочих температур подшипникового узла от 200 до 1000 С. На рис. 4.2 представлены зависимости изменения объемного модуля упругости исследуемых материалов от температуры.
Анализ зависимостей показывает, что максимальное значение объемного модуля у исследуемых полимерных материалов составляет: для Loctite 3472 - 1160 МПа при температуре 600С, для Анатерм-201 – 1120 МПа при температуре 440С. При температуре 1000С исследуемые параметры сравниваются по значению. Область возрастания значений данного параметра объясняется упорядочением структуры полимерных композиций.
На рис. 4.3 представлены графические зависимости изменения линейного модуля полимерных материалов от температуры испытания. Характерным является закономерное уменьшения данного параметра с увеличением температуры испытания. Причем Анатерм-201 и Loctite 3472 имеют практически одинаковые значения линейного модуля при 200С и после 800С. Рисунок 4,3 - Изменение линейного модуля упругости полимерных композиций от температуры
Результаты математического моделирования процесса нагружения восстановленного подшипникового соединения
Технические требования на ремонт неподвижных соединений деталей требуют обеспечения монтажного натяга для отремонтированных агрегатов машин на уровне новых изделий. Эти требования относятся и к предлагаемому способу восстановления посадочных поверхностей валов под подшипники качения, основанному на применении ЭМО в комбинации с нанесением полимерных композиционных материалов.
В процессе эксплуатации слой восстановительного покрытия, нанесенный на изношенную поверхность вала испытывает значительные статические и динамические нагрузки, воздействие температурных полей, агрессивной среды и т.д. При этом начальные реологические свойства полимерной композиции могут изменяться в значительных пределах, что непременно отразится на деформационной способности материала. Наряду с упругой, может возникнуть пластическая деформация полимера, что приведет к постепенному изменению значения монтажного натяга в неподвижном соединении.
В Главе 2 предложена математическая модель, которая позволяет адекватно описать процесс нагружения восстановленного комбинированным методом подшипникового соединения как на стадии монтажа деталей, так и на стадии его эксплуатации.
Для реализации разработанной математической модели были проведены исследования физико-механических и реологических характеристик перспективных полимерных композиционных материалов, представленных в настоящее время на рынке. Методики исследования свойств таких материалов представлены в Главе 3, а результаты в п. 2.1 и 2.2. Разработанная математическая модель предполагает две стадии нагру-жения восстановленного подшипникового соединения.
Первая – запрессовка подшипника на восстановленный вал.
В этом случае необходимо добиться равномерного распределения контактных напряжений по всей восстановленной поверхности вала. Причем не допускается срезания полимерного покрытия, а только его деформация. Только в этом случае обеспечивается условие образования гарантированного натяга.
Условием выполнения данных требований является превышение предела прочности на сдвиг полимерного покрытия над касательными напряжениями, возникающими в нем при запрессовке подшипника.
Результаты исследования реологических свойств полимерных композиций МТЗ 80/82
Анализ зависимостей показывает, что максимальное значение объемного модуля у исследуемых полимерных материалов составляет: для Loctite 3472 - 1160 МПа при температуре 600С, для Анатерм-201 – 1120 МПа при температуре 440С. При температуре 1000С исследуемые параметры сравниваются по значению. Область возрастания значений данного параметра объясняется упорядочением структуры полимерных композиций.
На рис. 4.3 представлены графические зависимости изменения линейного модуля полимерных материалов от температуры испытания. Характерным является закономерное уменьшения данного параметра с увеличением температуры испытания. Причем Анатерм-201 и Loctite 3472 имеют практически одинаковые значения линейного модуля при 200С и после 800С. Результаты математического моделирования процесса нагружения восстановленного подшипникового соединения
Технические требования на ремонт неподвижных соединений деталей требуют обеспечения монтажного натяга для отремонтированных агрегатов машин на уровне новых изделий. Эти требования относятся и к предлагаемому способу восстановления посадочных поверхностей валов под подшипники качения, основанному на применении ЭМО в комбинации с нанесением полимерных композиционных материалов.
В процессе эксплуатации слой восстановительного покрытия, нанесенный на изношенную поверхность вала испытывает значительные статические и динамические нагрузки, воздействие температурных полей, агрессивной среды и т.д. При этом начальные реологические свойства полимерной композиции могут изменяться в значительных пределах, что непременно отразится на деформационной способности материала. Наряду с упругой, может возникнуть пластическая деформация полимера, что приведет к постепенному изменению значения монтажного натяга в неподвижном соединении.
В Главе 2 предложена математическая модель, которая позволяет адекватно описать процесс нагружения восстановленного комбинированным методом подшипникового соединения как на стадии монтажа деталей, так и на стадии его эксплуатации.
Для реализации разработанной математической модели были проведены исследования физико-механических и реологических характеристик перспективных полимерных композиционных материалов, представленных в настоящее время на рынке. Методики исследования свойств таких материалов представлены в Главе 3, а результаты в п. 2.1 и 2.2. Разработанная математическая модель предполагает две стадии нагру-жения восстановленного подшипникового соединения.
Первая – запрессовка подшипника на восстановленный вал. В этом случае необходимо добиться равномерного распределения контактных напряжений по всей восстановленной поверхности вала. Причем не допускается срезания полимерного покрытия, а только его деформация. Только в этом случае обеспечивается условие образования гарантированного натяга.
Условием выполнения данных требований является превышение предела прочности на сдвиг полимерного покрытия над касательными напряжениями, возникающими в нем при запрессовке подшипника.
Как следует из рисунка 4.5, величина контактных напряжений при запрессовке подшипника 50209 на восстановленную поверхность первичного вала коробки передач автомобиля ГАЗ 53-12 не превышает 2 МПа. Расчеты показали, что при данном значении контактных напряжений, величина возникающих при натяге касательных напряжений не превышает 0,8 МПа, что существенно ниже предельных касательных напряжений для исследованных восстановительных материалов при температуре монтажа 20 С (29 МПа – Анатерм -201 и 24, 5 МПа – Loctite 3472). В этом случае не произойдет разрушения слоя полимерного восстановительного покрытия при запрессовке подшипника, он упруго деформируется, что создаст условие получения неподвижного соединения.
На следующей стадии математического моделирования определяется изменение контактных напряжений в восстановительном покрытии вала в процессе эксплуатации подшипникового соединения в зависимости от времени приложения эксплуатационной нагрузки. На рис. 4.6 представлены распределения данных напряжений при нагрузке на подшипник 50209 P = 3 кН, что соответствует работе исследуемого автомобильного агрегата на первой передаче.
Можно предположить, что ресурс восстановленного подшипникового соединения определяется временем его эксплуатации, за которое величина контактных напряжений увеличивается в нижней части восстановительного покрытия вала, и снижается в верхней части. При наступлении момента, когда в верхней части контактные напряжения станут нулевыми, наступит момент возникновения условия полной потери натяга, т.е. отказа..
