Анализ пружинных механизмов и разработка методов их проектирования при динамическом нагружении с инерционным соударением витков тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.06 ВАК РФ

Пермский политехнический институт

На праЕТХ рукописи

ДВВЯТЕРИКОВ СЕРГЕЙ АНАТОЛЬЕВИЧ

АНАЛИЗ ПРУШНЫХ МЕХАНИЗМОВ И РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ ИГ ПГОВКТИРСВАНИЯ ПРИ ДИНАМИЧЕСКОМ НАГРУЛЕИИЙ С ИНЕРЦИОННЫЙ СОУДАРЕНИЕМ БИПШ

01.02.06. - Дипамрка,прочность машин, приборов и аппаратуры

Авторефераг диссертации то соискание ученой степени кандидата технических наук

Работа выполнена в Ижевском механическом институте

Научный руководитель - доктор технических наук,

профессор ПОЛЩУК Д.Ф.'

Оф:яшальные оппонента:

л.ф-и.н..профессор НАГАЕВ Роберт Фьридович

к.т;н,.доцент- СВЕШНИКОВ Борис Петрович

Ведущая организация - Центральный научно-исоледователъ-окий институт материалов (г.Санкт-Петербург)

Задата состоится " /9 " С<£ 1993 года в -/О чао, на заопакии специализированного Совета П 063.66.02 в Пермохом политехническом институте по адресу: 614600, г .Яерм ь ,Комс окольокий пр. ,29а. (42. В с-ус); гА хс/о*)

С диооертецией можно ознакомиться в библиотеке Пермского политехнического инотитута.

Автореферат разоолач " с?& " /2. 199 £ г.

■Учений секретарь специализированного Совета, к.т.н., доцент

Л.М,Тимофеева

ОБИЛЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТА

Среди большого разнообразия ''пругих элементов иааии основное место занимаю! винтовые цилиндрические пружины растякинин и окатив с круглым сечением витка. 3 настоящоз время при проведении расчета в услоаиях высокоскоростного динамического нагруяения всо чаще возникает вопрос о допустимости соударония витков и стопони этого соударения. . ■

Актуальнозть работы. Рыпуок пру лш в лааеИ стране правашаог десять миллиардов итук в год. Болызая^ часть из них работает в условиях динамического нагр/ления. Испол*зованиэ рациональных методов проектирования и изгогоиония с учетов динамических процессов являотся важным резервом повыывния долговечности упругого элемента, надежности конструкции п целом.и стабильности работ создаваемого механизма.

Цель исслэдования. йспользоланло обобщенной юории цилиндрических прукмг, созданной в-Ияов'оком мэханиччеком института, для решения прикла/чых задач проектирования прукинных механизмов и определения предельных параметров их загружзния. Исследование воз-«ожноото** использования динамических процессог прл изготовлении пружин. Расииргнио "поля" экспериментальных результатов при ударном на грунэ ни и упругих эломангов. Разработка рекомендаций по ра- . пиональному проектированию и изготовлении пружин и пружинных механизмов.

Научная новизна. Для типовых прукинных механизмов и ряда конструкторских задач найдены пути рационального проектирования. Разработан новый подход к определению критических скоростей наг-ружелия для пруасян, работающих о соударением витков. Получены новые результаты при килематичеслом и ударной нагруясеиии прушь Впервые экспериментально доказана возможность одновременного уменьшения габаритных размеров и повышения долговечности упругого эле-аэнта за счет допущения соударения витков.

Практическая ценность.Разработаны программы расчета на ЭВМ пружинных механизмов.позволяющие сократит« время проектирования и отладки изделий,уменьаить их воо и габаритные размеры,повысить надежность и долговечность маашн.'Использование динамических процессов в тахнологической-операции зановоливания сокращает её время и стабилизирует оиловна параметры изготовляемых пружин. Применение полученных рекомендаций позволяет избежать ошибок при проектировании новой техники и совершенствовании уйа существующей.

Апробация работы. По томо диссертации ^деланы доклады на всесоюзных научно-тохничоских конференциях и семинарах з МВТУ имени Бауиана (г.Иосква), ЕАк па .Калинина (г.Ленинград), ПВАЙУ (г.Пенза), ИМИ (г.Ижевск), НАМИ (г.Москва), на кафедрах " Динамика машин" и " Теоретическая механика и теория машин к иэханизмов " ИМИ.

Публикации. Основные результата работы опубликованы в двух статьях 2 центральной печати, одной статье в местной печати и в четырех тезисах докладов.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой г;:вво приведен обзор работ по динамичеоксшу наг-руяению прукин и поставлена задача исследования.

Изучение ударных процессов относится к числу наиболее актуальных проблем прикладной механики,связанных.с оценкой поведения различных конструкций в усм^иях воздействия интенсивных нагрузок. Несмотря на свою исключительную и очевидную важность, теория удара пока далека от завершения.

Сучествующие теории удара можно объединить в три большие группы. Б первую входят основные классические теории удара:старео-механическая тзория удара Ньютона; энергетическая теория удара; контактная теория Герца; волновая теория удара.

Вторая группа теории"удара представляет собой синтез теорий гпрвой группы. К ьзй относятся; теория Сирса; теория поперечного удара груза по балке 1идоаенко С П ,;линеаризироваьная теория контактных дефорнзций; теория удара груза по пруар2 Ракзаузра и Карлунина В.А. ' '•"

Каядая из теорий перво:*. и второй групп объясняет сравнительно нз большую часть экспериментальных эффектов,наблюдающихся при статическом и динамическом нагру&онии пружин. Для наиболее юлного охлата всего "лог.я" экспериментальных результатов ПолищукоиД.ф. на основе синтеза'теорий колебаний, нелинейной статики, устойчивости и удара с применением модели винтового тонкого бруса создана обобщенная теория цилиндрических пружин, в которую составной частью входят теории удара третьей группы.

Наиболее общей из них явля"г. :й синтезированная теория удара в пружинных механизмах при наличии инерционного соударения витк которая объединяет энергетическую теорию удара груза по пружиня Рамзауэра и Карпунина В.А.»синтезированную теорию удара груза

по прукинз без инерционного соударения витков,модернизированную волновую теорию удара в лрунннннх механизмах и модернизированную контактную геориа инерционною соударений витков. Эта ¡теория учитывав г: протекание дзух процессов, - волнового и кон. тактного, - одновременно; наличие меявиткового давления ^пространственную деформацию пружины при основном ударе - удари груза по пружина; наличие двойного удара - соударение витков происходит на фона ."азакончонаого основного удрра; перераспредала-ние энергии в процессе удара - наличие Зуфирного уо;.а;влия1:яв конструктивного оформления механизма на формирование напряженного состояния при удара.

Таким образом,обобщенная теория цилиндрических пружин ели задач удара предлагает котишке вложенных теорий. Использованию положений 3T0Ü теории для решения прикладных зчдач проектирование и расчета прумшньх механизмов l учото;.' конструктивных особенностей конкретных механизмов и для разработки управления процессом соударения витков посвящена данная работа.

Теоретическому исследованию ударных процессов и контактных явлений, а также -ч-сперименталмшм эффекта«, наблюдающимся ' при динамической нагрукенш прукии и прукиниых механизмов.посвящены работы Годьдсии?а,Дишшка А.Н., Итаермана И.Я., Иишшс-кого А.Ю.,Галина Л.А., Штода A.B., Бидериана ЗгЛ.,Воров1на И.И., Богородицкого А.а.,Коновалова А.А.,Кисллдыа С.Г., Пугачева B.C., Нагаева Р.'Ч, Соколинского В.Б.,1а.шна В.Н., Батуева С.Г., Блинова О.Д., Зогяда С.А., Гродикого Г.Д., Сазонова В.З'. и других авторов.

Синтезированная теория удара в пружинных механизмах позволяет управлять процессом соударения витков,что.очевидно.должно дополнить1имеющееся "поле" экспериментальных результатов.

Во второй главе рассматривается проектирование луужишшх механизмов с учетоа динамики ггагруаеяия..

Комплексная задача проектирования пружинных механизмов разбита на ряд более простых конструкторских задач для наиболее пироко распространенных типов механизмов. В данной работе выделено девять основных типов,причем последние путеь. преобразований могут быть.приведены к червым четыраи ( рис.1 ):

1. Удар груза пс прукино. Вся энергия удара поглощается пружиной. Буферное устройство и предварительное подкатив пружины отсутствуют,-

2. Удар груза по предварительно поджатой пружине. Бея энер-

б

гия удара иоглойаотся пру¿иной.Буферное устройство отсутствуй!.

5.Удар груза по пружина без презрительного поджатия при. наличии буферного устройства.

Удар груза по предварительно поджатой пружине при наличии буферного устройства.

В механизме пятого типа известен закон изменения скорости трузз, и в механизме яоетого типа - закон изменения скорости'про-ивволан. В механизме содыюго''типа удар происходит при разкатии пруаини в одну сторону, а в механизме восьмого типа - т обе стороны; механизм девятого типа предполагает наличие промежуточно-' го груза.

Рз

^ЧЙЛА/^

На

У I > ) > >

Ил

МчАЛ/4

№

Механизм первого типа

16

"ч^А^ЧЛ

На

Механизм третьего типа

Механизм второго типа

Рг^РЬ

Механизм четвертого типа

Рис,1. Основные типы .лруашнных гэханиамов

Жесткие ограничения»накладываемые на лис и габаритные разов-.ры пружин,рост скорости иагрухонкя прупшны:: меха паз ион приводя г к тону,что учат соударения витков ^е может быть исключен из расчета упругого элемента при динамическом нагруиениа.Поэтому в данной работе для первых четырех типов пружккных механизмов рассйот- • роны с позиций синтезированной теории удара в пружинных иоханпз-мах с инерционным соударешпм витков алгоритмы роие.чия постп конструкторских задач.

В первой задаче для спроектированного механизма определится оптимальная высота пружины,ог'асючивавцан максимальный срок слуа-бы при минимальных габаритах. Ео второй задача определяются опти- • мальныа размеры пружшш с заданный диаметром-сечения витка и известным уровней допускаемых чалрлхояк.'!. Цель задач 3...6 - проектирование пругдш в ограниченно« ппостранстле при заданно» урозио допускаемых йаьряаеггй. В третьей задача ограничена высота пружины, в четвертой - занимаемый ею.объем, в пятой - непуяний диаметр, в шестой - наружный диаметр и высота. •

Талка образе.!, з расчетах соединены задача проектирования пружинного механизма и задача определения прочности упругого злеион-та. Ряд экспериментальных эффектов и тоннах особенностей динами-чоского на^рукения учитываются с п^глощью интегральных коэффициентов, точное определение значений которых 2р°бует подключения слон-ыго аналитического аг.ларата (/1х»,/1г-) •

Методика расчета состоит гз трех этапов. Вторая цифра индекса при переменных соответствует номеру этапа.

Этап I. Расчет по оинтозироааниой тоории удара в пружинных механизмах,работающих ^ез инерционного соу-арвяия шшеор. Максимальные динамические касательные напряжения возникают на внзг-реннем волокне витка и определяются по формуле:

где 23/- максимальные статические касательные напряжения,определяемые по энергетический теории с учетом перераспределения энергии в процессе' удара;

Т- дополнительные динамические напряжения от прохождения волны деформации по т^оршг Рамзауэра и Карпунипа В.А. {Х'~ 35,1' М ; ГПа); ■

скорость удара груза по прукине; коэффициент Вааля.

Еибрациоиныа напряжения,возникаюцле при .многократной удара,неравномерность напряженного состояния по длине пружины »искривление её ' гоомотрическо;! оси учитываются интегральным коэффициентом неравномерности Кг« 1,1...1,5. Эквивалентные напряжения по таории'максималь-кыл касато;:ышх напряжения 'в этом случае равны ÔSi = 2- ZârKr.

•Этап?.. Расчет по модернизированной волновой теории удара в иру&шикл !.'o;:aHi.suax с плотным контактом витков.

Расчет твдотся с учетом только основного удара грузе по пру-хи.не,а соударение витков заменяется возникновением монэиткового давления.

Е связи с те:.:,что за счет докатия пруяини максимальные напряже-ц-.н будут возрастать,то того,чтобы Zzz-^Sf ,необходим уменьшить саг иоьлвка упругого глемента при сохранении прочих его конструктивных параметров К этом случае ?зг- PjJ/'Kj/, Tsz = ТзгКк* причем К*< = Kjj . [.'аксимальные касатолыше напряжения равны

Гдг в С ъ* Ь = £з/» •

где х = t,i...i,3 - к-осф£!пионг динамичности ( болие для неустойчивых пружин ) учитывает неравномерность касательных напрякений вследствие пространственного искажения винтовой линии пружины, яапаздыааниа качала контактных деформаций за.счет формирования иеглигкового давления и объясняет размыв фронта волны деформации,местные виды потери устойчивости; Кк P^î'Çî/- ко-.ффициент отношения сил. Полученная пружина будет обладать той m энергоемкостью,что и з расчете по первому этапу,но её высота уменьшится.

Э т а п 3. Расчет по синтезированной теории улара в пру'жинйых лехакизках с инерционным соударпнием витков.

Эквивалентные напряжения на внутреннем волокне витка 2- = 2 ( ТзГг/- К0 + 2Г') • к*,, да К* = ? K_d - определяет сзге:ень соударвния витков.

Эквивалентные напряжения в точке контакта

&з- [*• ?â:rJ * . tf - \и )<>û*Y'\ ;

пдо lip = V^cV/s ~ коэффициент,учитывающий перераспределение энар-гии в(..прукинном механизме вследствие его конструктивных особенностей- и снижение контактных нач^якониИ за счет эффекта формирования меивиткового давления;

- скорость,необходимая для сжатия прукины до соприкосновения витков на инерционном участке ( Д^ ).

На какдом этапе расчетов определяются всо данные.которые нужны

для проектирования пруиины. Учитывая,что ход расчета коме? бить прорван после любого из этапов,тс для четырех типов пруяпнных :.'.о-• ханизыов и шести конструкторских задач разработано 72 различный методики определения параметров.Раиен:ш ряда задач ранее рассмотрено в [I] .

При рассмотрении процесса скатин упругого эл^гонта в пружинных механизмах,работающих с инерционным соударении:.: витков выделить также три периода, сжатие пру::::!ни до сопрякояноаяттн витков; фориирование мвявиткового давяеккя; контактная дс^рми.нШ витков .

Использование «одели пшзйного осциллятора на нервов г та г; о позволяет определить по изветгшм зависимостям скорость п пороге— ценно груза.статичяскио напряжения и арсия процесса.моло^.шпмль-ные динамические.напряжения от прохождения волны деформации могут быть определены при реванш волнового уравнения методой разр изных

ф7ЯНЦИЙ.

Длительность второго эгала определяется исхс-,я из условного продолжения линейной характеристики пружины ?а точку её макенкаль-: ного сжатия на величину,обусловленную коэффициентом динамичности К ( рис.2 ). Максимальные статические напряжения равны

Тлг » 2^г/"К_27 . Коэффициент механизма равен отношению скоростей в конца • зрзого и второго пери-_ сдов (К^ - )• Опрелоло-

' нио динамических напряжений производится по ^хе»е аналогичной первому этапу.

Расчет параметров контактного взаимодействия проведен в

, * соответствии с работями Карпуни-

яа В .А. и Поливка Д.ф. при более тщательно вычисленных коэффициентах (в скобках даны пргшие их значения) : А = 2,367(3,310);/? = 1,092(1,080)';= 4,45- Ю"(5,12-10) с / и- ; В = 225,7 • 10*(19Б,2 -10"*) Ш1а.

Так :;ак время контактного взаимодействия £/г значительно меньше времени пробега волы деформации Ти пружине ,тп эквивалентные напряжении в точке контакта в любом сечении пружины с координатой ос с .учетом.времени,необходимого для формирования мвквитао-вого давления,конструкции мханизма,перераспределения энергии в

Рис.2. Схема для определения длительности этапа формирования иеашиисового да: ления

процессе удара могут быть представлены в^виде,.

бт = И + Га ОрЬ* Л 1230(^/-К^)

г К (¿¡110,3

где Тд (¿7+^/7 » зг ) - динамическая добавка напряжений в конца второго этапа для сечения с координатой ос ;

Ьи - длительность I этапа.

По окончании контактных деформаций два первых этапа повторяются в обратно", последовательности.

Анализ экспериментальных и теоретических исследований размыва фронта волны деформации позволяет сделать вывод,что его время не правьте? половины времени пробега волны деформации по пруяинс для сечения у неподвижного конца.

Третья глаза посгяазна анализу особенностей проектирования и расчета пружинных воханиэкоз.

Рассмотрим возможность управления соударением витков на конкретной примере для четвертого типа пружинных механизмов и первой конструкторской задачи ( рис.З и 4 ) [I] . — :'

' &тг6ц'

,о го 18 2?

4 " У

...... ¿¡С!

У / /

«и* ш£тт> J (6

*.0 К/ ¿«2 Кц Рис.3. Расчет напряжений для задачи 4.1 Рис Л.Взаимосвязь

коэффициентов ^и

Анализ графиков показывает:

I. При незначительном отличии коэффициентов К^ и К« эквивалентные напряжения до точек А,Ь.,С максимальни на внутреннем волокна витка даже при наличии соударения. --

, ?. Для неустойчивых пружин,у ло-орых К^ 1,2 увеличивается воз-мокность снижения их высоты. В данной примере,принимая во внпание

1,3 и допуская соударение витков.возможно снижение вгеоты на 11% при сохранении эквивалентных напряжений на уровне расчетных для пружины с сопрякосноэоикеы витков.

3. Одновременное возрастание коэффициентов Кр и К^ означает уменьшение в эквивалентных напряжениях доли напряжений контактных за счет увеличения роли эффекта формирования мэквиткового давления.

Расчет для других конструкторских задач осуществляется с приманенном элементов оптимизации. Расчет,выполненный с учетом соударения витков,для первой задачи позволяет уменьшить высоту пружины

и эквивалентные напряжения; для второй задачи - снизить высоту пружины при неизменном уровне эквивалентных напряжений; для" третьей задачи - уменьшить занимаемый пружиной объем,ее вес и наружный диаметр: для четвертой - уменьшить вес и высоту лруаины при возрастании наружного диаметра. Специфичность задач Z..A заключается в том,что эквивалентные напряжения введены в число исходных данных.

Расчеты выполненные для пятой и шестой задачи,показали,что допущение плотного контакта и соударения витков ведет к увеличению веса пружины,числа раЛччх витков,диаметра проволоки и снижению индекса пружигы, В шестой задаче можно добиться оптимального раслродиленш напряжений по сечению витка,а в пятой уменьшить длину пружины.

Существует возможность последовательного использования нескольких методик. Решив конструкторские задачи 2...б и уточнил затем результаты »производится решение по методике для первой конструкторской задачи с исходными данными из пледыдуцего расчета или определяется критическая скорость нагружения механизма.

Таким образом,предложенные -методики позволяют определять параметры пружины и самого механизма,а незначительное изменение конструкции последнего дает возможность управлять процессов-соударения емко: Следует отметить,что в расчетах определяются пиковые ;:апряжени которые наблюдаются в течение короткого промежутка времени,то есть спроектированный с их учетом упруги? элемент будет при условии о'тах £ [¿ГЗ обладать дополнительным^резервом работоспособности.

Дгя клапанных пружин толливно^ аппаратуры при циклическом наг-ружании предложен метод расчета,базирующийся на гипотезе о вибрационной смещения и соударении отдельных витков за счет прохождения boj.-ны деформации [5]. При этом после принудительного сжатия пружины до высоты На допускается возможность условного перемещения на величину

' Аз а ' Не- На).

Максимальная деформация может быть представлена в виде h = Н„- +

где АЛ- приращение условного хода пружины на участке вибрационного сжатия для гарантированного отсутствия соударения витков. Б работе приведен подробный алгоритм расчета. Расчет,выполненный для прумин ьзделий п/о " ВЗТА " (г. Вильнги: показал,что вибрационное соударение витков в ряде случаи*-имеет m-jo-то, причек вопрос о его допустимости должен решаться отдельно д^я няждого конкретного механизма.

Одной из важнейших задач при проектировании пружинных ыеха-. низмов,работающих в условиях динамического сжатия,является опреде- , лениэ допустимых,критических скоростей нагружения.В ряде работ кри-'тическая скорость нагружения определяется,исходя только из матсри-« ала-для изготовления упругого элемента или из условия отсутствия соударения витков. Поздлее пвога оценку критических скоростей нагружения с позиций прочности и устойчивости дала модернизированная • волновая теория. .'.•-.

Однако,такой подход не,-учитывает контактные деформации витков. В данной работе, решая задачу,обратную проектированию пружинных механизмов при ударном нагруленик с позиций синтезированной . теории уда:а,были созданы методики опроделения критической скорости на.'рунения пружин сжатия при заданном уровне эквивалентных напряжений в опасной точке сечения витка длч первых четырех типов механизмов [2] . Дан.подробней ai-горитм расчета. Результаты расчетов для трох конкоетных механизмов привадень в таблице Т. :

Таким образом,методика позволяет определить V*/?, превышение которой приводит к росту напряжений выше их допустимого значения; возможно определение критической скорости нагружения для обеспечения гарантированного отсутствия соударения витков; определение реальной критической скорости Нигрукения конкретного механизма позволяет рационально выбрать предварительную деформацию и место установки буферного узла. Кроме лого,использованный в их. годике эффект соударения витков положительно сказывается на гашении вибрационных напряжений.при лногияратном удара.

В четвертой главе рассматриваются нрвые экспериментальные результаты при ударном нагружении пружин и исследуется возможность, иегтользоватия динамических процессов при изготовлении упругих элементов. ' ' : ' • ','■■" . •"

Процесс статического заневоливания,иироко применяемый в настоящее время,является весьма длительным и трудоемким. Кроме того, вследствие неравномерности, напряженного состояния по длине пружшш возникает эффект " синусоидального "заневоливания. Свесгл указанные недостатки к минимуму позволяют динамические методы заневоли-ванчя,пределгчые параметры которых могут быть определслы по методикам, описанным выше. '

В рамках данной работы были проведены экспериментальные ис-слад.вания возможности применения кинематического заневоливания и его режимов для возвратй пружины изделия 6П20 [4j. Под кйнемати-

Таблица I

Исходные данные и результаты расчета критической скорости нагрунения

пруаинны" механизмов

Номер Парамзт] зы пружинного механизма

механизма Ргр, Н С а, МИ я, п Л. Ш.1 Л» ми & А. Н н '¿р //7 ыц Но, мм /¿А им мм [¿л, МП а &ТЗ, МП а м/с \Л/> епроёоцпое М/с

I 19,6 8,0 4,0 30 30 II 147 294 353 15,5 17 139 109 79 6о 2450 2435 12 2,5

■ 2 4,8 9,0 2,5 40 60 53 20 49 77 68,0 70 328 288 228 175 2060 2055 10 3,5

3 19,6 9,0 4,0 30 30 II 98 196 237 16,5 18 х41 III 81 70 1600 1610 8 2,0

Таблица 2

Результаты испытаний двух партий пружин на машине ударною действия ИМИ - I

Номер партии I ( Нй '= 3$6 мм ') • 2 ( = 345 мм )

Номер пружины I 2 3. . ^ 4. 5 . I 2 3 4 5

/1/.,число циклов до поломки 13700 122; 0 12550 12830 13СТ0 19500 19000 19500 20050 19100

[,'есга коаоики, но*.ер зитяа со стороны удара 7,60, 61,67 г ь 6 7 69 5 69 7 68

'¿.f • Л'-''

ЧЦЦ '

<<5

л? •

опШ^'Ььмтр (Р1)

¡а

о

о

ш

а ю я га гь~ за

Рис.5. Стабилизация силовых параметров и уменьшение времени процесса при использовании кинематк :еского заново ливания.

чзским заневоливанием понимается циклическое слитие пружин на величину рабочего х'ода с частотой нагрукзния равной частоте работы

конкратного изделия. Процесс кинематического заневоливания считается законченным,когда раэме^ Н становится равным высоте ненагрунен-ной пружины.после статического за-наволивания. ■ "

Использовалось четыре опытных партии пружин.Гарантированный суммарный мажвитковый,зазор при зана-волквании 6г. для первой партии раван 38 мм;для второй - ¿¡I мм ; для третьей -7 мм;для четьартой -

- 2 ш.

В хода эксперимента отмечено (рис.5) :

- уменьаениа величины гарантированного суммарного меквигкового зазора приводит к уыеньионию времени процесса кинематического заневоливания ( первая п-рстш - ¿ а 60 мин., четвертая - Ь = 10 миц.);

- при кинематическом занзволивалик происходит стабилизация силовых-. параметров Р./ и Р^ . так для четвертой опытной партии среднее квад-ратическое отклонение £>ся (/?• ) уменьшилось на 33$ для Р/ и на 38%, для Р2ло сравнению с контрольной партией статически заневоленных пружин 5 контр (Рг). . . ' . '

Автоматизировав'лроце-с заневоливания можно добиться и снижения трудоемкости, " . • Следующий этапом экспериментальных исследований явилось твера-дение теоретического положения о возмохсабсти одновременного снижения габаритных размеров упругого элемента и увеличения его долговечности при ударном нагрукении.

Испытания проводились на машине ударного воздействия с механизмом вращающегося типа ИМИ -I [3]. Число оборотов главного вала машины - 200 обДшн ( 3,3 Гц ),скорость нагружения исследуемых прушш--6,6 и/с, вес ударяющей головки - ^,76 Н. . ■

Исследовано дво партии прукин,которые имеют сладующио общие параметры: с = 9, ¿/=2,5 ^ - р/ =

Рр = 61,8 К; Н_з= 178 мм. отличающиеся параметры:

•первая партия - Нд = 356 мы;

Р3 =91,2 Н; вторая партия - Но = 3^5 мы; " -/ Ь = 85,3 Н;

1,0

_иж У /

Нащтия

\

Л7 20 (ЯегШУ/ Я-'

Рис.6.Результаты расчета пружин,исслед/е-, ыых на матине ИМИ - I <5чл)

номер &итка

Н/ = 273 ми; = 223 мм; б£ в 1650 МПа; ¿Гг= МО КГ»а; й/ = 262 мм; Яг= 212 мм; 5/= 1590 МПа; 6Т= 1590 Ша;

Первая партия пружин рассчитана дин работы с соприкосновением витков,а вторая - с соударением витков. Теоретическая зависимость между сокращением габаритов пружины по длине и эквивалентными гнапряжениями для данного случая представлена на рис.6,а результаты испытании приведены в таблице 2.

В данном случав уменьшение высоты пружины на три процента и допущение соударения витков привело к росту долговечности на 51$,создало условия равнопрочное ти.

Осадка пружин исследовалась на основе анализа изменения межвитнового зазора у 12 пружин первой партии после ударных испытаний.,Этот зазор уменьшается с приближением к обоим концам пружины, минимальная его величина у 'юдвяк-

ио

о 20 40 6'О Рис. 7 . Распределение межвигкового зазора по длине пружин,прошедших, испытания .

сер/порсны яиго конца,имеются две ярко выраженнио удара ''

зoнJ концентрации витков (рис.'^.Первая расположена в районе 5...10 витков со стороны удара и образуется при 8000...10000 циклах нагрунения.вторая -в района 360...70 витко!.образуется при 12000...14000 циклах нагружения. Эффект неравномерности осадки характерен для

длинных,неустойчивых пружин с большим количеством витков [3].

Пятая гу.ава посвящена разработке рекомендаций по рациональному проектированию и изготовлению пружин и пружинных механизмов.

При проектировании пруаинных механизмов необходимо учитывать вое стадии конструкторагпроентапованиэ пружинного механизма

в целом,отвечающего заданным техническим требования;.!¡.проектирование упругого элемента,отражающее его особенности.0л1бки,встречающиеся при этом,также можно разбить на две'большие труппы: о ¡про:? к

конструкции самого механизма; ошибки при разработке упругого элэ-мента.

К перчой группе типовых ошибок относятся:

1.Контактирование витков пружины с поверхностями стакана,в комаром она установлена,вследствие потери устойчивости.

2.Изменение схемы (или) механизма вследствие неверно выработанных допусков или использования составной пружий'ы.

3.Определенно критических скоростей нагружявия без учета конструктивной схемы механизма перераспределения энергии в процессе удара, потери устойчивости (общей и местной),контактных деформаций. 4.Отсутствие учети трвивии срабатывания сложных механизмов. Ь.Неверны" выбор места установки буферного узла." 6.Отсутствие учета резонансных явлений.. Нерациональный выбор геип'а нагружения.

Ко второй группе (ошибки при разработке конструкции упругого элемента) относятся:

1.Разделььый подход к проектированию механизма и пружин для него.

2.Превышение угла подъема винтовой линии пружины его предельного значения ведет к потере устойчивости. ■

3.Применение длинных неустойчивых пружин.

4.Шлифование опорных горцев груши,работающих на оправке, 5-Шлифование 0,75 длины окружности опорного витка при ударном нагружении может привести к аго поломке.-

6.Некорректный расчет упругого элемента.

Для всех указанных TimoEJx ошибок'в работе приведены конкретные ыеханиоМы,при разработке которых они имели место. • Анализ типовых ошибок»полученных экспериментальных результатов и опыта работы с предприятиями отрасли позволил сформулировать следующие рекомендации по проектированы и'изготовлению пружин и .пружинных механизмов:

1. Комплексно подходить к проектированию пружинного узла и пружин для него, а не компенсировать изменением упругого элемента недостаточную конструкторскую проработку механизма.

2. Обязательно учитывать время срабатывания сложных пружинных механизмов [6]. . ' .

. 3. Изготовлять пружины с уменьшенной величиной опорного витка (0,5 длины окружности).

Увеличивать шаг навивки на концах неустойчивых пружин или формировать конечные витки по фасонному профилю..

5. Проводить контроль высоты пружины,сжатой до соприкосновения витков,что особенно важно для пружин с малым гарантированным ыежвигковым зазором.

6. При заневоливании нескольких-прукин на одной направляющей устанавливать променугочлыэ шайбы.

7. Использовать динамические методы заневоливания (кинематический и контактный) для обеспечения стабильности параметров пружин;

8. Определять критические скорости нагруиения,исходя не только из матьриала для изгото-ления пружин и условия отсутствия соударения витков,но и по методам модернизированной волновой тяори". о позиций прочности .и устойчивости,а также с позиций синтезированной теории удара в пружинных механизмах,работающих с инерционным соударением витков.

Приведенные рекомендации направлены на повышение долговечности и обеспечение требуемой надежности пружин и пружинных механизмов. Их использование позволит "сключить типовые ошибки при проектировании новых узлор,сократить время опьпной отладки изделий.

- ЗАКЛЮЧЕНИЕ

К основным результатам работы по исследованию динамического нагружения пружин и пружинных механизмов можно отнести следующее: . / . '

1. На основании разработанной классификации для четырех типов пружинных механизмов созданы методы решения шести конструкторских задач,в квидой из которых производится расчет: с соприкосновением витков; с плотним контактом витков; с. соударением витков. Таким'образом,созданы 72 различные методики расчета,которые позволяют: выбрать пружину.наиболее приемлемую для данного механизма; более точно определить напряженное состояние в опасных точках упругого элемента; выявить допустимую стелет, соударения витков рри ударном вагружании.

2. Разработаны мелодики определения критических скоростей нагружения для пружинных механизмов работающих с инерционным соударением витков,которые позволяют рационально подобрать параметры механизма и определить оптимальные режииы ого нагрутения.-По этим

зка методикам возможно рассчитать и ражим технологической оп'па-ции ударного занаволивании.

3. Для клапанных пружин разраоотана методика расчета,позволяющая учитывать вибрэчиояные смещения от проховдения волны деформации и определить напряжения в опасных точках для пружин,подверженных циклическому нагружают-с относительно небольшими око-' ростями.

. 4. Проведанные усталостные испйтания пружин впервые подтвердили результаты теооии и расчетов о возможности управления про-г цессом соударения витков при одновременном уменьшении габаритных размеров механизма и увеличен'! долговечности и надежности всего узла.

5. Предложен ЫчТОд кинематического заневоливания,который позволяет сократить враш процесса ьакеволивання,уменьшив при этом сроднее квадратическое отклонение силовых параметров пруиин

Р, и Р2.

6. На основе анализа типовых ошибок,новых или полученных ранее результатов теоретических и экспериментальных исследований,производственного опгча предприятий отрасли разработаны jзкомендации по повышению качества расчета м изготовления, позволяющие значительно снизить время отладки прушн и пружинных механизмов,увеличить срок их службы.

Большинство из предложенных методлк имеют программное обеспе-. чекиа. . '•-

Основные положения диссертации опубликованы в работах:

I. Девятериков С.А., Помщук Д.Ф. Проектирование пружшшык , механизмов с инерционным соударением витков / Конструирование и технология изготовления пружин: (йвжвуэ.сб.науч.тр»)/Удй.гос .-ун-т, Ижевский механ.ин-т.- Шг век :ШИ,1986.- С.39 - 48.

2« Полищук Д.Ф., Девятериков С.А. Определение критических . ' скоростей нагрукения при расчете пружинных механизмов на надеж-г : ность./Надежность и контроль качества. -1988. - № 3.- С.25-29.

3. Полищук Д.ф.,Девятериков С.А. Влияние на долговечность пружин гнерционного соударения витков / Ученые Ижевского механического института - производству. Научно-техническая конференция: (тезисы докладов).- Ижевск: ИМЙ,19уО.-С151.

Девятериков С.А. Стабилизация силовых параметров пружин при кинематическом заневоливании // Ученые Ижевского механического института - производству.Научно-техническая конференция : (ге^иоы докладов). - Ижевск: ИШ, 1990. - С.Г51.

5. Девятериков С.А., Полицук Д.Ф. Оценка прёдельных напряжений в пружинах топливной аппаратуры при кинематической нагруже-нии // 1У Всесоюзное научно-техническое совещание " Динамика и прочность автомобиля " : (Тезион докладов). - М.: Изд-во АН СССР, 1990.- С.77.

6. Девятериков С.А., Полищук А.Д. Многократный удар в исследовании буферных механизмов // Ученые Иневского механичеокого института - производству. Научнс-твхничоолая конференция: (Тезисы докладов).- Ижевск: ИМИ, 1292. - С.146.

Ротаприа; Ш . w-U г.

Адрео института и ротапринте.: 426069, Ижевск, Студенческая ул.,7