Пути повышения циклической долговечности листовых пружинных элементов тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.06 ВАК РФ

Кубанский государственный технологический университет

На правах рукописи

чС

^ ШАУРО Андрей Николаевич

ПУТИ ПОВЫШЕНИЯ ЦИКЛИЧЕСКОЙ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ЛИСТОВЫХ ПРУЖИННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

Специальность 01.02.06 - динамика прочность машин, приборов и аппаратуры

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научи ы й р у к о в о д ите л ь док тор технических наук профессор Бледнова Ж. М.

Краснодар - 1999

СОДЕРЖАНИЕ

Введение 4

1. Конструктивно-технологические пути повышения контактно- 9 циклической долговечности плоских пружинных элементов

1.1 Конструктивные пути повышения надежности и долго- 9

вечности

1.2. Технологические пути повышения долговечности 14

2. Методики проведения исследований и экспериментов 23

2.1. Катодно-плазменное азотирование 23

2.2. Металлографические исследования 25

2.3. Изучение распределения остаточйьи;дапряжений 26

2.4. Износоусталостные испытания 30

3. Исследование работы полосового клапана с упругим огра- 47 ничителем подъема

3.1. Реальные процессы, протекающие в цилиндре компрес- 48 сора

3.2. Исследование собственных частот и форм колебаний 49 пластин полосовых клапанов

3.3. Изменение давления газа в цилиндре компрессора в 54 процессах всасывания и нагнетания

3.4. Определение площади проходного сечения в щели кла- 57 пана

3.5. Расчет упругой характеристики ограничителя подъема 58

3.6. Влияние сил инерции пластины и упругого огра- 63 ничителя на работу клапана

3.7. Анализ результатов моделирования 64

4. Определение оптимальной глубины упрочненного слоя исходя 66 из условий контактного взаимодействия деталей в процессе эксплуатации

4.1. Определение распределения давлений в области контак- 73 та при взаимодействии упругих симметричных тел

4.2. Определение распределения давлений в области контак- 77 та при взаимодействии упругих асимметричных тел

4.3. Определение зоны пластической деформации 79

5. Катодно-плазменное азотирование 81

5.1. Оптимизация технологических параметров процесса ка- 81 тодно-плазменного азотирования

5.2. Распределение остаточных напряжений по глубине 95 диффузионного слоя при катодно-плазменном азотировании

5.3. Использование катодно-плазменных технологий для 97 формообразования деталей

6. Испытания материалов при совместном действии циклических 105 напряжений и реверсивного трения

6.1. Влияние совместного действия циклических нагрузок и 106 трения на долговечность образцов

6.2. Влияние условий износоусталостного повреждения на 108 скорость массового износа образцов

6.3. Изменение топологии поверхности при износоусталост- 113

ных испытаниях

Заключение 119

Список использованной литературы 125

Приложение 137

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. Вопросы интенсификации научно-технического прогресса в народном хозяйстве сопряжены с необходимостью решения проблемы повышения долговечности и надежности высоконагруженных узлов и деталей. Компрессорное оборудование нашло широкое применение в различных отраслях промышленности, используется в технологических линиях для получения сжатых газов. Одним из наиболее ответственных узлов компрессоров являются самодействующие клапаны, срок службы которых является определяющим в уровне надежности компрессора. В наиболее тяжелых условиях работы (ударное контактно-циклическое нагружение) находятся упругие элементы клапанов. При проектировании и расчете деталей машин приходится решать целый комплекс взаимосвязанных задач, проводя поиск компромиссных решений для обеспечения различных, зачастую противоречащих друг другу требований. Так, увеличение рабочего хода замыкающего органа клапана повышает экономические показатели работы, снижает потери давления и мощности на всасывании и нагнетании газа в цилиндр компрессора, однако увеличивает несвоевременность закрытия клапана, что ведет к потери производительности, а также увеличивает циклические и ударные нагрузки закрывающих и пружинных частей клапана, снижающие срок службы узла в целом. В данной ситуации важное значение приобретает исследование, моделирование и анализ условий работы деталей и узлов по результатам которого могут быть определены пути совершенствования конструктивно-технологических решений. Надежность клапанов в значительной мере зависит от правильного выбора геометрии, материалов упругих элементов и технологии их изготовления, в связи с чем возникает необходимость в разработке математической модели работы клапана и

совершенствования технологий изготовления пружинных элементов с целью обеспечения заданного безаварийного ресурса работы узла.

Цели и задачи работы. Целью работы является исследование из-носоусталостной повреждаемости материалов в условиях совместного действия циклических нагрузок и реверсивного трения и разработка конструктивно-технологических методов повышения долговечности листовых пружинных элементов.

Научная новизна работы заключается в следующих основных результатах, которые автор защищает:

- разработана методика исследования полосового клапана с упругим ограничителем подъема, которая впервые позволила провести оптимизацию геометрии упругих элементов и проточной части полосового клапана на стадии проектирования по критериям надежности и экономичности работы узла, что особенно актуально при создании клапанов, предназначенных для компрессоров специального назначения. Разработанная методика обладает достаточной гибкостью и может быть использована в математических моделях работы компрессоров различных типов и для различных газов. При этом резко сокращается количество дорогостоящих натурных экспериментов по определению оптимальных параметров упругих элементов клапанов на месте эксплуатации компрессора, являвшихся до недавнего времени единственным способом решения данной задачи. Применение разработанной методики к расчету всасывающего полосового клапана ЛУ-125-1,6 который используется на воздушном компрессоре общего назначения 2ВМ2,5-14/9, позволило определить оптимальный радиус изгиба упругого ограничителя в свободном состоянии и снизить тем самым потери мощности на всасывании газа в цилиндр первой ступени на 25%;

- предложена методика определения оптимальной глубины поверхностной упрочняющей обработки на основании анализа распре-

деления рабочих контактных напряжений в приповерхностном слое соприкасающихся тел. В предложенной расчетной модели для аппроксимации профилей соприкасающихся тел впервые используются алгебраические полиномы. Варьирование степенью полинома позволяет достигать требуемой точности в описании поверхности тела в целом, или отдельных его участков. Методика представлена в виде, позволяющем ее использовать в инженерных расчетах. Полученные результаты также могут быть использованы при изучении концентрации напряжений и при описании взаимодействия шероховатых тел, а также в горной механике и других областях;

- получена статистическая модель процесса катодно-плазменного азотирования стали Э8ХНЗМФА, позволяющая управлять технологическим процессом обработки для получения заданных свойств поверхностных слоев изделий;

- впервые проведено исследование износоусталостной долговечности образцов из сталей ЗОХГСА, З8ХНЗМФА. Получены кривые усталости и уравнения регрессии, связывающие долговечность образцов и их массовый износ с амплитудой относительной деформации и величиной контактной нагрузки;

- разработана испытательная машина и методика исследования комплексного износоусталостного повреждения образцов, выполненных из различных материалов, в условиях реверсивного трения и циклических напряжений(положительное решение по заявке № 98106286). Испытательная машина позволяет моделировать рабочие нагрузки в силовых парах трения, проводить сравнительные испытания образцов, подвергнутых различным видам упрочняющей обработки, а при приложении разности потенциалов между образцом и контртелом - наносить трибомеханические покрытия;

Практическая значимость работы. Впервые предложен способ формообразования деталей машин, основанный на использовании не-

равномерно распределенных полей остаточных напряжений применительно к листовым пружинным элементам, патент № 2121615. При односторонней ионно-плазменной обработке, например плоских заготовок, происходит их деформация, имеющая достаточно высокую стабильность, что позволяет использовать данный метод в том числе и для производства листовых пружинных элементов малой кривизны. Разработанный способ имеет ряд преимуществ перед существующими способами изготовления листовых пружин, основными из которых являются: улучшение показателей надежности и долговечности деталей за счет совмещения формообразующей и упрочняющей обработок; повышение производительности труда за счет одновременной обработки нескольких заготовок; сокращение общего времени производства. Данный способ может быть использован при производстве деталей со сложным профилем, которые невозможно изготовить традиционными методами.

Апробация работы и публикации. Основные положения работы были доложены на международной молодежной научной конференции "XXV Гагаринские чтения" (МАТИ-РГТУ им. К. Э. Циолковского, г. Москва, 1999), международной конференции "Технология, инновация, качество-99" (г. Казань, 1999), краевой молодежной научной конференции (НИИ Риса, г. Краснодар, 1997). Предложенная технология изготовления упругих элементов внедрена на ОАО "Компрессорный завод" (г. Краснодар). Основное содержание диссертационной работы отражено в 9 печатных работах.

Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на 138 страницах машинописного текста и состоит из введения, 6 глав основной части, заключения, содержащего общие выводы, списка литературных источников из 145 наименований, приложения, содержащего акт внедрения способа изготовления листовых пружинных эле-

ментов и методики расчета полосового клапана с упругим ограничителем подъема на ОАО "Компрессорный завод".

Автор выражает глубокую признательность своему научному руководителю, профессору, доктору технических наук Бледновой Ж. М., профессору, доктору технических наук Чаевскому М. И. и своему отцу, инженеру Шауро Н. Т. за всестороннюю помощь и поддержку.

1. КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПУТИ ПОВЫШЕНИЯ КОНТАКТНО-ЦИКЛИЧЕСКОЙ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ПЛОСКИХ ПРУЖИННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

1.1 Конструктивные пути повышения надежности и долговечности

Для самодействующих клапанов показатели экономического и технического характера теснейшим образом связаны между собой, определяя основные требования, предъявляемые к этим узлам поршневых компрессоров. Среди них:

1) своевременность открытия и закрытия;

2) большие проходные сечения и, следовательно малые газодинамические сопротивления протекающему потоку газа;

3) малое мертвое пространство, отрицательно сказывающиеся на производительности компрессора;

4) плотность в закрытом состоянии;

5) прочность и износостойкость;

6) удобство монтажа и эксплуатации.

Повышение скорости открытия и закрытия клапанов требует уменьшения массы подвижных элементов, что приводит к снижению их срока службы, или уменьшения проходных сечений, и, следовательно, увеличению потерь давления. Увеличение рабочего хода замыкающего органа клапана повышает экономические показатели работы, однако увеличивает несвоевременность закрытия клапана, что ведет к потери производительности, а также увеличивает ударные нагрузки, снижающие срок службы узла в целом.

Столь различные и зачастую противоречащие друг другу требования привели к созданию многочисленных конструктивных разновидностей клапанов [1]. Сравнительная характеристика основных типов клапанов приведена в таблице 1.1. и на рис. 1.1 и 1.2.

Рис. 1.2- Объем мертвого пространства, куб. см.

140 ___

120

100 -

80 60

40 _

20

0 Ц-Ы-Ы-Ы-Ы-Ы-1_

НКТ ВКТ ПИК ПИК ЛУ ЛУ 125-1,6 125-1,6 125-1,0 125-1,0 125-1,6 125-1,6 (всас.) (нагн.) (всас.) (нагн.)

Рис. 1.1- Эквивалентная площадь различных типов клапанов, кв. см.

25 20 15

10 - -

5

0 Ц-Ц-Ц-Ц-Ь

НКТ ВКТ ПИК ЛУ 125-1,6 125-1,6 125-1,0 125-1,6

Полосовые клапаны применяются в основном в компрессорах малой и средней производительности при низких давлениях, в том числе и в высокооборотных компрессорах. Широкое применение они нашли в холодильных компрессорах вследствие таких положительных качеств, как малое мертвое пространство и хорошая плотность в закрытом состоянии. Существующие конструкции полосовых клапаны отличаются друг от друга замыкающими и упругими элементами, а также формой корпуса. В качестве замыкающих элементов используются пластины, имеющие швеллерный или прямоугольный профиль. Функции упругих элементов

Таблица 1.1- Сравнительная характеристика основных типов клапанов поршневых компрессоров

Типы клапанов Достоинства Недостатки Области применения

1. Кольцевые Высокая плотность, сравнительно малое мертвое пространство Малая эффективность, большие потери давления Ступени среднего и высокого давления

2. Дисковые Высокий коэффициент расхода, небольшая высота подъема пластины Сложность конструкции, большая масса подвижных частей Компрессоры среднего и высокого давления до 100 МПа при частоте вращения коленвала до 20 с-1

3. Прямоточные Наибольший коэффициент расхода, пониженный шум, повышают производительности компрессора Большая масса подвижных частей, небольшая прочность пластин Ступени с перепадом на клапан не более 4 МПа, частотой вращения вала до 12,5 с-!

4. Ниппельные Высокая эффективность и надежность Некоторая сложность в техническом обслуживании и ремонте Степени с давлением до 32 МПа, угловой частотой вращения коленвала до 12, 5 С'1

5. Грибковые Большая плотность и прочность Большие потери давления Ступени с перепадом давления на клапан до 3 МПа, ступени высокого давления

6. Тарельчатые Простота изготовления и ремонта, прочность и надежность Большие потери давления, большой объем мертвого пространства Ступени с перепадом давления на клапан до 30 МПа

7. • Полосовые Малое мертвое пространство и хорошая плотность в | закрытом состоянии ( Небольшие проходные сечения, низкий коэффициент расхода Ступени низкого давления, компрессоры малой и средней производительности

Рис. 1.3. - Полосовой клапан с упругим ограничителем подъема: 1 - седло; 2 - жесткий ограничитель подъема; 3 - упругий ограничитель

подъема; 4- пластина

выполняют пластины малой жесткости, закрывающие проходное сечение клапана, или специальные плоские элементы, изогнутые в свободном состоянии, подпружинивающие концы замыкающих пластин.

Конструкция клапана проста, так как в ней отсутствуют какие-либо дополнительные движущиеся части в виде пружин или демпферов. Закрывающий элемент прост в изготовлении, так как выполняется из готовой пружинной ленты. Пластина малой массы при открытии перекатывается по ограничителю от концов к центру, не создавая сильного шума, и обеспечивает большой срок службы. Это позволяет иметь сечение в щели, равное сечению в седле, что повышает экономичность работы клапана.

Полосовые клапаны с упругим ограничителем подъема [2] (рис. 1.3) имеют существенные преимущества перед полосовыми клапанами прежней конструкции. Среди них:

- увеличенное на 25-30% геометрическое проходное сечение в щели при прочих равных условиях;

- лучшая организация течения газового потока, что приводит к увеличению коэффициента расхода;

- снижение примирено в двое напряжений изгиба в пластинах при одинаковых максимальных высотах подъема центральных точек пластин;

- устранение ударов центральной точки пластины о жесткий ограничитель подъема, что привело к повышению надежности и долговечности клапана. Под действием перепада давления пластина 4 (рис. 1.3) выгибается по форме упругого ограничителя подъема полосового клапана 3 и деформируется совместно с ним, сообщая полость компрессора с полостью всасывания или нагнетания. Движение упругих элементов ограничивается жестким ограничителем подъема 2.

Недостатком любых полосовых клапанов являются небольшие проходные сечения в щели и низкий коэффициент расхода вследствие не-

больших подъемов пластин, допускаемых из условий их срока службы. Для оптимизации размеров проточной части и упругих элементов, обеспечения минимальных потерь давления возникает необходимость в разработке математической модели работы клапана. Недостатком полосовых клапанов с замыкающими элементами из гибкой прямоугольной пластины является также то, что при использовании для изготовления таких пластин некачественной пружинной ленты срок службы их резко снижается, так как обламываются концы пластины. Причиной этого являются износ пластин и их высокочастотные колебания, снижающие срок службы. В связи с этим возникает необходимость поиска новых технологических путей повышения циклической долго�