Динамический упругий контакт в соединениях с натягом в пределах трения покоя тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.06 ВАК РФ

На правах рукописи

ПОДНИКОЛЕНКО АНАТОЛИЙ ВЛАДИМИРОВИЧ

ДИНАМИЧЕСКИЙ УПРУГИЙ КОНТАКТ В СОЕДИНЕНИЯХ С НАТЯГОМ В ПРЕДЕЛАХ ТРЕНИЯ ПОКОЯ

Специальность 01.02.06 - Динамика и прочность машин, приборов и аппаратуры

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Барнаул 2004

Работа выполнена в Алтайском государственном техническом университете им. И.И. Ползунова

Научный руководитель-

доктор технических наук, профессор А.А. Максименко

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Маркин В.Б.,

кандидат технических наук, доцент Куприянов Н .А

Ведущая организация - Алтайский научно-исследовательский институт технологии машиностроения г. Барнаул (ОАО АНИТИМ)

Защита диссертации состоится « 4 » февраля 2005 г. в « 10 » часов на заседании диссертационного совета К 212.004.02 при Алтайском государственном техническом университете им. И.И. Ползунова по адресу: 656038, пр. Ленина,46, ауд. 122 гл.к.

С диссертацией можно ознакомится в научно-технической библиотеке Алтайского государственного технического университета им. И.И. Ползунова

¿¿» декадах

Автореферат разослан 2004 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, доцент Н.В. Перфильева

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Основополагающим фактором развития машиностроительного комплекса в условиях рыночной экономики является высокая конкурентоспособность выпускаемых механизмов и машин. Важным при этом становится вопрос о надежности уже имеющихся конструкций, поиске оптимальных сочетаний характеристик соединений. Все это напрямую зависит от контактной жесткости и прочности сочленений машин, что особенно актуально при их работе в условиях различного сочетания динамических нагрузок.

Жесткость машин характеризуется собственной жесткостью деталей и контактной, определяемой деформациями в местах сопряжения деталей. Контактные перемещения составляют значительную часть от общих перемещений, до 80 %. Поэтому вопросы, связанные с контактным взаимодействием деталей, прежде всего, динамической контактной жесткостью и диссипацией энергии, являются весьма актуальными особенно для точного приборостроения и прецизионного машиностроения и определяют роботоспособность эксплуатации механизма.

Вопросы тангенциальной жесткости и прочности в общей проблеме контактирования включают в себя предварительное смещение. В последнее время учет данного явления в решении многих практических задач становится все более необходимым.

Этим проблемам посвящается множество работ ученых и практических инженеров. Однако широко изучены лишь вопросы, связанные с рассмотрением поведения контакта в условиях статического нагру-жения. При этом имеется много задач, решение которых позволит оценить влияние динамических нагрузок на свойства механического контакта.

Общеизвестно, что соединения с натягом благодаря простоте конструктивного оформления, высокой технологичности и надежности в работе достаточно широко используются в технике. Однако при инженерных расчетах прочности и жесткости не учитываются явления, происходящие на контактных площадках сопряжения в пределах трения покоя при динамической работе соединений. Отсутствуют расчетные методики, с помощью которых можно было бы определить амплитуды и частоты колебаний, контактную прочность и податливость контактирующих тел в различных направлениях. Поэтому без дальнейшего развития динамической теории контактного взаимодействия в пределах трения покоя невозможно создание точных, устойчивых, работоспо-

РОС МАПЯНАЯШЛШ ЙМИПН

уяей^

собных условно--неподвижных соединений с заданными прочностными, диссипативными и динамическими характеристиками.

Отсутствие единого подхода при решении этих проблем ставит задачу создания физической и математической модели упругого контактного взаимодействия применительно к расчету конкретных соединений.

В работе использовался комплексный метод исследований, который включал в себя как теоретические, так и экспериментальные исследования.

Объектом исследования является упругий механический контакт соединений с натягом под воздействием различного вида динамических нагрузок.

Цель работы заключается в разработке динамической модели упругого механического диссипативного контакта применительно к соединениям с натягом и на ее основе создание инженерной методики расчета динамических характеристик контакта прессовых соединений.

Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи:

1. Разработать динамическую модель, позволяющую определять характеристики нормального и тангенциального контакта при произвольном направлении внешнего воздействия к плоскости контактирования, учитывающую невозможность применения принципа суперпозиции, применительно к соединениям с натягом.

2. На основе разработанной динамической модели создать численно-аналитический метод определения динамических характеристик контакта соединений с натягом при различных видах динамического нагружения (ударном, вибрационном и т.д.).

3. Получить амплитудно-частотные характеристики механического контакта соединений с натягом на основе модели контакта шероховатых поверхностей, а также шероховатых поверхностей, и произвести оценку влияния на динамические и диссипативные характеристики контакта параметров динамического контактирования.

4. Применить динамическую модель контактного взаимодействия и созданный на ее основе численно-аналитический метод расчета динамической контактной податливости и прочности к инженерным расчетам соединений с натягом.

5. Разработать программный комплекс для уточненного расчета динамических характеристик упругого механического контакта при конструировании и создании соединений с натягом.

6. Разработать экспериментальную установку для моделирования работы соединений с натягом и исследований поведения контактных пар в широком спектре прочностных, диссипативных и амплитудно-частотных характеристик при ударных, вибрационных и других видах динамических нагрузок.

7. С помощью разработанной методики расчета, учитывающей динамическую контактную податливость, провести уточненный инженерный расчет прессовых соединений узла двигателя А- 41.

Методы исследований. В данной работе использовались как теоретические, так и экспериментальные исследования. Теоретические исследования базируются на классической теории упругого контактного взаимодействия твердых тел. Решение основных нелинейных дифференциальных уравнений движения контактирующих тел основано на применении метода разложения в степенные ряды, с обязательным исследованием сходимости и устойчивости решения. Для экспериментальных исследований создана установка с высокой разрешающей способностью.

Научная новизна работы.

Научной новизной работы является решение научно-технической задачи создания инженерного метода расчета параметров контактирования соединений с натягом, работающих в динамических условиях:

- предложена физико-математическая модель динамического контактного взаимодействия соединений с натягом в условиях трения покоя; описывающая все стадии контактирования;

-разработан численно-аналитический метод расчета нелинейных контактных смещений и диссипации механической энергии прессовых соединений;

- теоретически и экспериментально получены амплитудно-частотные характеристики механического контакта соединений с натягом в широком спектре условий контактирования

- выявлены и описаны закономерности изменения предварительного смещения в контакте соединений с натягом при ударных и осциллирующих нагрузках в нормальном и тангенциальном направлениях;

- разработан оригинальный комплекс прикладных программ по расчету характеристик динамического контактного взаимодействия соединений с натягом.

Научной ценностью предложенного метода решения динамических контактных задач является то, что, сохраняя и базируясь на структуре упругих аналитических зависимостей расчета статического кон-

такта твердых тел, он дает новую область применения классических решений теории упругости в динамической области.

Практическая ценность работы.

Практическая значимость работы заключается в том, что предложенный численно-аналитический метод расчета контактных деформаций при ударах и вибрациях, является удобным для широкого инженерного использования. Этот метод позволил решить задачу о взаимном влиянии нормальных и касательных деформаций в каждую единицу времени динамического воздействия, что позволило создавать прессовые соединения с заданными прочностными и деформационными характеристиками.

Полученные зависимости учитывают физико-механические свойства материалов, микрогеометрические и фрикционные характеристики поверхностей и позволяют обоснованно подойти к технологическому управлению триботехническими параметрами контакта соединений с натягом.

Достоверность результатов работы обеспечивается обоснованным использованием положений классических контактных задач теории упругости.

Теоретические исследования и расчеты подтверждены собственными экспериментами, проведенными на установке с использованием высокоразрешаюшего лазера и аттестованными электронными приборами, с обязательной оценкой погрешности измеряемых величин.

Практическая реализация работы. В качестве практического применения созданной методики инженерного расчета контактных взаимодействий представлены результаты исследований соединений с натягом, от прочности, долговечности, работоспособности которых зависит в конечном итоге надежная эксплуатация рассматриваемой конструкции в целом.

Обработка расчетных и экспериментальных данных показала, что расхождение результатов не превышало, в среднем, 8 - 10 %.

Результаты теоретических и экспериментальных исследований характеристик контакта соединений с натягом позволяют сделать вывод о правильности выбора теоретических предпосылок, динамической модели упругого контактного взаимодействия в пределах трения покоя, а также о необходимости использования в инженерных расчетах. на прочность и жесткость соединений разработанной методики.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались автором, обсуждались и были одобрены на научных семинарах кафедр «Прикладная механика» АлтГТУ им. И.И. Пол-

зунова (г. Барнаул), на Международной научно-технической конференции (МНТК) «Машиностроение и техносфера XXI века» (г. Севастополь, 2004), на МНТК «Измерение, контроль, информатика» ИКИ-2004 (г. Барнаул, 2004), на МНТК «Надежность и ремонт машин» (г. Гагра, 2004), на 2-ой МНТК «Моделирование, оптимизация и интенсификация производственных процессов и систем» (г. Вологда, 2004), в работе Российской школы по проблемам науки и технологий (г. Миасс, 2004), на Всероссийской научно-технической конференции «Новые материалы и технологии в машиностроении» (г. Рубцовск, 2004).

На защиту выносятся следующие положения:

1. Динамическая модель механического контактирования соединений с натягом, позволяющая описывать контактные колебания сопрягаемых деталей.

2. Численно-аналитический метод расчета нелинейных контактных деформаций сопряженных шероховатых поверхностей соединений с натягом.

3. Результаты теоретических и экспериментальных исследований нормальных и тангенциальных контактных колебаний сопряженных шероховатых и гладких сфер и шероховатых поверхностей при ударных и вибрационных нагрузках в пределах трения покоя.

4. Амплитудно-частотные характеристики контактных колебаний нормального и тангенциального направлений соединений с натягом в пределах трения покоя.

5. Результаты теоретических и экспериментальных исследований динамической контактной податливости для соединений с натягом при различных условиях контактирования.

Публикации. По теме диссертационной работы опубликованы 10 работ.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 5 разделов, заключения, списка литературы и приложений. Работа представлена на 160 страницах, включает 2 таблицы, 40 рисунков, библиографию из 207 наименований и приложений на 10 страницах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, изложена цель исследований, изложены основные положения, выносимые на защиту, научная новизна и практическая ценность работы.

В первой главе проведен обзор статических и динамических контактных задач. Анализируются вопросы контактирования, представляющие интерес для решения задачи.

Вопросами контактного взаимодействия в условиях трения покоя занимались многие ученые: А.В. Верховский, И.С. Ренкин, ГА Том-линсон, Д. Тейбор, Ф. Боуден. Значительный вклад в разработку и создание моделей процесса деформирования в зоне контакта твердых тел в нормальном и касательном направлениях внесли исследователи и ученые: Р.Д. Миндлин, И.Р. Коняхин, Д.Н. Решетов, З.М. Левина, Н.Б. Демкин, И.В. Крагельский, Э.В. Рыжов, В.И. Максак, В.М. Хохлов.

В работах рассмотрены закономерности поведения контакта твердых тел в статических условиях, при этом показано, что деформации и рассеяние энергии в зоне контакта деталей весьма значительны в общем балансе деформаций и диссипации механической энергии узлов.

Работы Д.М. Толстого, Г.Я. Пановко, Н.А. Броновца, Д.Р. Геккера, С.Г. Костогрыза, А.Н. Тритенко, Я.И Куна, А.А. Максименко и других ученых посвящены исследованию процессов, происходящих в контакте твердых тел при динамических нагрузках. Авторами указывается на то, что процессы деформирования и диссипации энергии в контакте при динамическом нагружении обуславливают точность, надежность и долговечность машиностроительных конструкций.

В разделе подведен итог анализа научных разработок, определены задачи и пути решения рассматриваемой задачи.

Во второй главе осуществляется выбор расчетной модели единичного выступа и шероховатой поверхности при статическом действии нагрузок тангенциального и нормального направления на механический контакт в пределах трения покоя.

В основу положена задача Р. Миндлинача о контакте упругих сфер одинакового радиуса, прижатых друг к другу силой N. Распределение нормальных напряжений ст по площадке соприкосновения (кругу радиусом а) принимается соответствующим закону Герца:

Смещение при действии переменной тангенциальной нагрузки в случае контакта шероховатых сфер (рис. 1) определяется следующим образом:

При контакте шероховатых поверхностей:

Для оценки нормальных смещений в упругом диссипативном контакте в работе использовалось решение А.А. Ланкова для случая контакта шероховатой сферы и плоскости:

8 = (1 + $in)kN211 / 2ß, (4)

где N и 5 - нормальная нагрузка и сближение; к - коэффициент пропорциональности между сближением и силой в формуле Герца, ß -коэффициента сжатия эпюры контактных давлений.

На основе метода наименьших квадратов было сделано аппроксимирование формулы (4). После разложения в ряд Тейлора в окрестностях точек статического равновесия (точка М, - нагружение и точка М2 - разгрузка, рис. 2):

N = Nq +/Г,(5-50)+ЛГ2(5-8о)2 + ür3(8-50)3 (5)

После преобразования координат получен ряд, сумма первых трех членов позволила проводить расчеты с достаточной степенью точности: F = К,х + К2х2 + Кгх\ (6) где F - упругая восстанавливающая сила, х - преобразованная координата величины сближения (рис. 2).

Для случая контакта шероховатой и гладкой поверхностей принято уравнение Крагельского - Демкина:

где Ас - контурная площадь контакта, kj - постоянная интегрирования, зависящая от .

В третьей главе рассматривается динамическая модель упругого контактного взаимодействия нормального и тангенциального направлений в пределах трения покоя.

Приняты следующие допущения: 1). Шероховатость моделируется сегментами эллипсоидов с одинаковыми радиусами главных кривизн, вершины которых распределены согласно детерминированной кривой опорной поверхности. 2). Ввиду того, что деформации в зоне контакта превышают на порядок общие деформации тел, последними можно пренебречь. 3). Массой выступов шероховатого слоя можно пренебречь, ввиду их малости, по сравнению с массой контактирующих тел. 4). Все касательные силы считаются лежащими в плоскости

контактирования. 5). Диссипация энергии на площадках контакта представляется микротрением в зонах проскальзывания - в касательном направлении и за счет явления «всплывания» - в нормальном направлении. 6). Характерные времена протекания процессов деформирования на площадках контакта много больше периодов собственно колебаний твердых тел. 7). Диссипация энергии и трение в зонах проскальзывания не зависят от частоты нагружения и скорости деформирования.

Р. Н

Рис. 1. Смещение контакта единичных сферических выступов.

Рис. 2. Зависимость сближения от усилия поджатая. 1 - пластическое деформирование; 2 -упругое деформирование; 3 - кривая разгрузки.

Дифференциальное уравнение подвижного тела контактной пары в условиях нормальных вынужденных колебаний имело вид:

тх + К:х + К2х2 + К}х3 = РятШ, (8)

где т - масса штампа; коэффициенты К, К2, К3, характеризующие силы восстановления и диссипации.

Данная механическая система является нелинейной и обладает значительной диссипацией энергии, поэтому уравнение движения интегрировалось при помощи степенных рядов Тейлора. Восстанавливающая сила представлена в виде кусочно-нелинейных функций с разложением в окрестностях точек статического равновесия (задача Ко-ши). Начальными условиями каждого последующего этапа были конечные условия предыдущего.

Для определения сближения на каждом этапе ограничивались суммой первых четырех значащих членов ряда, поскольку последующие, ввиду их малости, не вносили существенных изменений в конечный результат. Коэффициенты рядов определяются по рекуррентным формулам.

В случае упругого контакта тангенциального направления первый этап нагружения (ветвь АВ рис. 1) описывался уравнением.

Далее в условиях статического действия знакопеременного тангенциального нагружения верхнего тела процесс контактного взаимодействия описывался петлей механического гистерезиса:

Р = №±2(1-(Д* ±А)/2АрУ ±(1 -Д'/Д,)' ±1], (ю)

где - текущие значения касательных сил и смещений, соответ-

ствующих нисходящей ( ) и восходящей ( ) ветвям петли; амплитудное значение смещения; Ар - предельное смещение;/- коэффициент трения покоя; М- нормальное усилие сжатия, }- показатель степени: для контакта, шероховатых поверхностей равен , - параметр шероховатости кривой опорной поверхности.

Дифференциальное уравнение подвижного тела контактной пары в тангенциальном направлении имело вид:

(Ц)+ Ф(Д) = Р5ШШ?

где т - масса штампа, Ф(Д) - нелинейная функция, характеризующая восстанавливающую силу и диссипацию энергии одного периода. Функция записывается в виде кусочно-нелинейных функций, выраженных полиномами Тейлора, Р - амплитудное значение внешней вынуждающей нагрузки, СО и t - циклическая частота и время процесса. Знаки « —> » и « » относились к активному и пассивному процессу деформирования соответственно.

Согласно принятым допущениям о трении в зонах проскальзывания, Ф(Л) - суть уравнения (11), анализ которого показал, что восстанавливающая сила и диссипация механической энергии определялись амплитудой смещения и не зависели от частоты процесса. Дифференциальное уравнение является нелинейным и относится к неконсервативным системам. Выражения для определения скорости и ускорения находились из почленного дифференцирования рядов. Коэффициенты рядов определяются по рекуррентным формулам.

Как правило, соединение работает под воздействием одновременно изменяющихся во времени нормальной и тангенциальной составляющих внешнего динамического воздействия. Такая нагрузка приводит к контактным смещениям в обоих направлениях. Известно, что в упругом контакте на колебания в нормальном направлении тангенциальная составляющая динамического усилия не оказывает значительное воздействие. Оценочные расчеты показали, что увеличение площади упругого контакта под влиянием касательных сил при средних значениях коэффициента трения не превышает 5 %, т.е. тангенциальные напряжения на контакте не приводят к существенным изменениям в сближении двух шероховатых тел. Поэтому задача оценки поведения контактной пары при произвольном направлении внешнего воздействия к плоскости контактирования заключалась в определении контактных касательных колебаний.

В случае сложного динамического нагружения нормальное усилие N - является суммой нормальной статической составляющей и N -const и динамической силы N(x), изменяющейся во времени:

N' =Arconst +N(x(t)). (12)

Учитывая изложенное, можно записать:

N' = К^ + Кг12 + Кгхг + JVconst, (13)

Таким образом, данное решение есть ряд статических задач, позволяющих учесть влияние нормальных перемещений и нагрузки в ка-

ждый конкретный момент времени I на касательные смещения в упругом диссипативном контакте при сложном динамическом нагружении. Такой подход позволяет совместить процессы в нормальном и касательном направлениях.

Далее приводятся теоретические исследования контактных колебаний нормального и тангенциального направлений для шероховатых поверхностей. При этом все теоретические обоснования и результаты расчетов, приведенные ниже для тангенциального колебательного процесса, сделаны с учетом непосредственного влияния нормальных колебаний на касательные смещения в каждый момент времени.

Рис. 3. Вынужденные нормальные контактные колебания шероховатого штампа при различных параметрах микрогеометрии. а - ЯШх = 3,78Е-06 м, г=3,7Е-04 м, б - Лшах = 1,75Е-О5 м, г = 1,0Е-04 м.

Рис.4. Амплитудно-частотные характеристики нормальных контактных колебаний шероховатых поверхностей при различной нормальной статической жесткости. 1- Ы= 10 Н, 2 - 20 Н, 3 - 30 Н.

Рис 5 Амплитудно-частотные характеристики тангенциальных контактных колебаний шероховатых поверхностей при различных параметрах микрогеометрии.

1 - Яшах = 1,75Е-05 м, г = 1Е-04 м; 2 - Яшах = 7,5Е-06 м, г = 1,8Е-04 м; 3 - Яшах = 5Е-06 м, г = 3Е-04 м.

При исследованиях были выбраны следующие изменяемые параметры т - масса; N - усилие нормального статического поджатая верхнего колеблющегося штампа; /- коэффициент трения покоя; параметры микрогеометрии шероховатого слоя: Яшах - максимальная высота микронеровностей, г - приведенный радиус микронеровностей, Ь и V - характеристики кривой опорной шероховатой поверхности. Динамическое воздействие подчиняется гармоническому закону

.Рвт Ш, где Р - амплитудное значение внешней вынуждающей нагрузки, и и г - циклическая частота и время процесса.

Исследовалось поведение контактных пар в условиях вынужденных колебаний в пределах трения покоя.

Приведенная методика расчета контактных колебаний в нормальном и тангенциальном направлениях при динамическом воздействии в условиях вынужденных колебаний позволяет определять АЧХ в широком спектре контактных условий (рис. 4,5). Разработанная модель позволяет определять амплитудные значения сближения, динамическую жесткость и прочность контактной пары, частоты процессов и параметры резонанса, а также величину диссипации механической энергии.

В четвертой главе рассматривается динамическая модель упругого контактного взаимодействия применительно к соединениям с натягом.

Рассматривается цилиндрическое прессовое соединение вал-втулка, нагруженное осевой силой Р.

2- щ щ ч —4

<1 1 У -

шш шш

а А

Рис. 6. Цилиндрическое соединение с натягом.

Для обеспечения неподвижности соединения номинальные контактные давления qg должны быть такими, чтобы силы трения превышали внешние сдвигающие нагрузки:

д0>Р2к/М/, (14)

где к -коэффициент запаса сцепления,/-коэффициент трения. Условие отсутствия пластических деформаций следующее:

(15)

Кроме того, при передаче нагрузки прессовыми соединениями на поверхностях контакта возникают касательные напряжения г . Наибольшие значения их определяются выражением:

При прочностных инженерных расчетах не учитывают деформации, перемещения, напряжения, возникающие в поверхностных шероховатых слоях сопряженных деталей соединения в пределах трения покоя. Упругие контактные перемещения в нормальном и в касательном направлениях оказывают существенное влияние на формирование величины натяга. Податливость соединения с натягом увеличивается за счет контактной податливости шероховатого поверхностного слоя сопрягаемых деталей.

Динамическая податливость в контакте соединения с натягом в нормальном направлении будет определяться общим выражением:

где х (X) - нормальное контактное смещение, изменяющееся во времени в случае действия динамической нагрузки; N - нормальное динамическое усилие. При статических условиях в знаменателе будет стоять величина номинального давления в соединении д.

С учетом динамической нормальной контактной податливости шероховатого слоя в соединении номинальное давление будет определяться выражением /2 (к1+Хг+К1/), (18)

где - номинальный натяг; - податливости деталей со-

единения.

Таким образом, номинальное давление в соединении с натягом будет уменьшаться, следовательно, фактическая величина натяга будет так же меньше минимального расчетного значения.

Если прессовое соединение нагружено динамической или статической силой тангенциального направления, то необходимо в общем инженерном расчете на прочность учесть динамическую касательную контактную податливость шероховатого слоя:

*,=Д(х(0;/)/Лгу (19)

Для общего случая одновременного динамического нагружения соединения в нормальном и тангенциальном направлении: -

касательные контактные колебания, являющиеся функцией от х(Х) -нормальных контактных колебаний в каждый момент времени.

В случае действия только осевой динамической нагрузки на соединение с натягом динамическая контактная касательная податливость шероховатого слоя определяется следующим образом:

= Д'/т', (20)

где Д* - амплитудное значение вынужденных касательных контактных колебаний в пределах предварительного смещения; т* - касательное напряжение, соответствующее амплитуде смещения.

Расчеты показали, что податливость соединений с натягом как в нормальном, так и в касательном направлении увеличивается с учетом динамической контактной податливости соединения. В частности, номинальное давление в соединении, а следовательно, и величина самого минимального натяга уменьшается при различных параметрах контактирования от 10 до 15%.

Приведенная динамическая модель упругого контактного взаимодействия применительно к соединениям с натягом позволяет проводить расчет на прочность и жесткость реальных соединений с учетом процессов, протекающих в контакте. Разработанная методика расчета дает возможность создавать соединения с натягом точных механизмов, прецизионных приборов с заранее заданными прочностными характеристиками, что позволяет продлить срок их службы и облегчить эксплуатацию.

По величине динамической контактной податливости возможна оценка прочности соединения в том или ином направлении при работе соединения в условиях динамического нагружения (рис. 7, 8).

Рис. 7. Изменение коэффициента динамической нормальной

контактной податливости при различных параметрах *

динамического процесса в соединении с натягом. Условия контактирования: Р = 100 Н (при V* =1080 Гц - резонанс)

~ГуЮ\Л-1 1Т

3,50Е-14 З.ООЕ-14 2,50Е-14 2,00Е-14 140Е-14 1.00Е-14 5,00Е-15 О.ООЕ+ОО

О 500 1000 1500 2000

Рис. 8. Изменение коэффициента тангенциальной контактной податливости при различных параметрах динамического процесса

в соединении с натягом.

Условия контактирования: Р = 200 Н (при V =1150 Гц - резонанс)

Пятая глава посвящена описанию экспериментального комплекса по исследованию контактных взаимодействий при статических и динамических нагрузках (рис. 9).

Для проведения экспериментальных исследований была создана установка (рис. 9), содержащая; неподвижный нижний гладкий образец; верхний подвижный образец, устройство для создания нормального статического поджатая, устройство для фиксации контактных колебаний верхнего штампа.

При рассмотрении вынужденных колебаний вынуждающее усилие создается при помощи устройства, включающего в себя электромагнитную катушку, работающую от генератора и способную создавать вынуждающую динамическую нагрузку заданной амплитуды и частоты.

Процесс контактных колебаний фиксируется бесконтактным методом, для чего используется сканисторный измеритель виброперемещений, построенный по схеме сканисторного фотопотенциометра с компенсирующей положительной обратной связью.

В качестве излучателя светового потока использован полупроводниковый лазер, который через систему линз засвечивает боковую поверхность колеблющегося образца. Отраженный от боковой поверхно-

сти образца сигнал, проходя через систему линз, принимается фотоприемником и через усилитель подается на экран осциллографа.

Составляющие экспериментальной установки (рис. 9) 1 - основание; 2 - накладная обойма; 3 - нижний неподвижный образец; 4 - верхний подвижный образец; 5 - грузы различной массы; 6 -электромагнитная катушка; 7 - генератор тока; 8 - гибкие нити основания; 9 - стойки основания; 10 - лазер; 11 - система линз; 12 - фотоприемник; 13-усилитель; 14- осциллограф.

Рис.9. Экспериментальная установка

В качестве практического применения разработанной методики инженерного расчета динамических контактных взаимодействий представлены результаты теоретических и экспериментальных исследований для реального узла, включающего в себя различные соединения с натягом, от контактной податливости которых зависит долговечность и работоспособность всего узла.

По результатам теоретических расчетов и проведенному эксперименту были разработаны рекомендации по выбору параметров соединений с натягом узла двигателя А-41. Расхождение расчетных и экспериментальных полученных данных не превышало, в среднем, 10 %. Факт расхождения можно объяснить адгезией, не учтенной в расчетных выражениях.

В результате исследований влияния параметров шероховатости на период и амплитуду нормальных и касательных колебаний было выяв-

лено, что уменьшение параметров микрогеометрии приводит к уменьшению сближения и длительности периода; это соответствует теоретическим результатам.

Увеличение внешней нагрузки и, как следствие, усилия запрессовки, приводит к снижению амплитуды как нормальных, так и касательных колебаний. Но при выборе условий запрессовки соединения необходимо производить проверку по условию возникновения пластических деформаций в контакте, что является недопустимым фактором.

При увеличении коэффициента трения растет динамическая контактная жесткость соединения, а для материалов, имеющих высокое значение предела текучести, этот параметр уменьшается.

Результаты теоретических и экспериментальных исследований характеристик контакта соединений с натягом доказывают правильность выбора теоретических предпосылок, динамической модели упругого контактного взаимодействия в пределах трения покоя, а также необходимость использования в уточненных инженерных расчетах на прочность и жесткость соединений разработанной методики.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

Исходя из научных и практических потребностей и на основании проведенного анализа современного состояния вопроса, была сформулирована научно-техническая задача и выбран главный объект исследований - упругий механический контакт прессовых соединений под воздействием различного вида динамических нагрузок.

Результаты теоретических и экспериментальных разработок позволили сделать следующие выводы:

1. Разработана динамическая модель, позволяющая рассчитать характеристики нормального и тангенциального контакта при произвольном направлении внешнего воздействия к плоскости контактирования, учитывающая невозможность применения принципа суперпозиции применительно к соединениям с натягом.

2. На основе разработанной динамической модели создан численно-аналитический метод определения динамических характеристик контакта прессовых соединений при различных видах динамического нагружения (ударном, вибрационном и т.д.).

3. Произведена оценка влияния на динамические и диссипативные характеристики контакта параметров контактирования соединений с натягом с помощью полученных АЧХ механического контакта.

4. Динамическая модель контактного взаимодействия и созданный на ее основе численно-аналитический метод расчета динамиче-

ской контактной податливости и прочности соединений применены к инженерным расчетам соединений с натягом.

5. Создан и зарегистрирован программный комплекс для уточненного расчета динамических характеристик упругого механического контакта при конструировании соединений с натягом.

6. Разработана экспериментальная установка для моделирования работы широкого класса условно-неподвижных соединений и исследования поведения контактных пар в широком спектре прочностных, диссипативных и амплитудно-частотных характеристик при ударных, вибрационных и других видах динамических нагрузок.

7. С помощью созданной методики произведен уточненный расчет с учетом динамической контактной податливости соединений с натягом узла двигателя А-41 на ОАО «Алтайдизель».

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

опубликовано в следующих работах

1. Максименко А.А., Подниколенко А.В. Расчет соединений с натягом с учетом динамических контактных взаимодействий. / Совершенствование систем автомобилей, тракторов и агрегатов: сб. статей - Барнаул: АлтГТУ, 2004-4.1.

2. Максименко А.А., Подниколенко А.В. Контактная податливость соединений в условиях динамического нагружения в пределах трения покоя. Деп. в ВИНИТИ 01.11.05.2004, № 1711-В2004. - Барнаул, 2004- 9 с.

3. Перфильева Н.В., Котенева Н.В., Подниколенко А.В. Динамика механического контакта клиновых соединений в пределах трения покоя / Сб. тез. МИАСС: МСНТ, 2004. XXIV Росс. школа по проблемам науки и технологий.

4. Перфильева Н.В., Котенева Н.В., Подниколенко А.В. Контактные взаимодействия в условно-неподвижных соединениях при динамическом нагружении // Машиностроение и техносфера XXI века: Тез. XI Междунар. науч.- техн. конф. - Севастополь, 2004.

5. Перфильева Н.В., Котенева Н.В., Подниколенко А.В. Контактная прочность пластически однородных твердых тел // Надежность и ремонт машин: Тез. Междунар. науч.- техн. конф. - Гагра, 2004.

6. Перфильева Н.В., Котенева Н.В., Подниколенко А.В. Расчет контактной прочности тяжело нагруженных деталей. / Моделирование, оптимизация и интенсификация производственных процессов и систем. Материалы Международной научно-техн. конф. - Вологда: Во-ГТУ,2004.-С.171-172.

7. Перфильева Н.В., Котенева Н.В., Подниколенко А.В. Исследование закономерностей контактного взаимодействия с учетом пластических деформаций / Новые материалы и технологии в машиностроении: Всеросс. НТК 24-26 мая 2004 г. / Рубцовский индустриальный институт. - Рубцовск: РИО, 2004. - С. 75-76.

8.Подниколенко А.В. Динамические процессы в условно-неподвижных соединениях в пределах предварительного смещения. Деп. в ВИНИТИ 11.05.2004, № 785-В2004. - Барнаул, 2004.- 10 с.

9. Подниколенко А.В. Метод неразрушающего контроля работы условно-неподвижных соединений в динамике. Измерение, контроль, информатизация: материалы 5-й Международная научно-технич. конф. / Под общ. Ред. А.Г. Якунина. - Барнаул: АГТУ, 2004.- С.7-9.

Подписано в печать 27.12.2004. Формат 60x84 1/16. Печать - ризография. Усл.п.л.1,39. Уч.изд.л. 1,05. Тираж 50 экз. Заказ 96/2004.

©Издательство Алтайского государственного технического университета им. И.И. Ползунова, 656038, г. Барнаул, пр-т Ленина, 46. Лицензии: ЛР № 020822 от 21.09.98 года, ПЛД № 28-35 от 15.07.97 Отпечатано в ЦОП АлтГТУ 656038, г. Барнаул, пр-т Ленина, 46

»-юз!