Разработка и обеспечение прочности профильных неподвижных неразъемных соединений тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.06 ВАК РФ

Р Г Б ОД 2 7 ОКТ 1998

На правах рукописи

МОРГУНОВ АНАТОЛИЙ ПАВЛОВИЧ

РАЗРАБОТКА И ОБЕСПЕЧЕНИЕ ПРОЧНОСТИ ПРОФИЛЬНЫХ НЕПОДВИЖНЫХ НЕРАЗЪЕМНЫХ СОЕДИНЕНИЙ

01.02.06 - Динамика, прочность машин, приборов и аппаратуры

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Омск-1998

Работа выполнена в Омском государственном техническом университете.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Максак В. И.

доктор технических наук, профессор Утешев М. X.

доктор технических наук, профессор Швецов В. Т.

Ведущая организация: ПО им. П.И. Баранова, г. Омск.

Защита состоится "2 %" 1998 г. в /5" часов на заседании

диссертационного совета Д 063.2X02 в Омском государственном техническом университете по адресу: 644050,0мск-50, Проспект Мира, 11.

Просим Вас и заинтересованных лиц Вашего учреждения принять участие в заседании совета и прислать отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенный печатью организации.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ОмГТУ.

Автореферат разослан "_"_1998 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

д. х н., профессор

Е.А. Воронов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Интенсификация хозяйственной деятельности

выдвигает новые требования к технике, режимы эксплуатации которой все более усложняются.

Современная техника требует решения ряда задач повышения прочности и работоспособности деталей машин и конструкций, в том числе неподвижных соединений, при одновремешюм снижении материалоемкости. Совместное решение этих задач требует более тщательного анализа влияния геометрических факторов, физико-механических свойств материалов сопрягаемых деталей при различных условиях сборки. Экономическое и социальное развитие нашей страны требует совершенствования конструкций проектируемой и эксплуатируемой техники, повышения производительности ее изготовления.

Несмотря на значительные результаты, достигнутые как в изучении природы перемещений и деформаций в контакте твердых тел, так и в расчетах соединений разнообразных форм, ряд задач, имеющих большую практическую ценность, остаются нерешенными.

Теоретические и прикладные исследования в области повышения эксплуатационной надежности неподвижных соединений - разъемных и неразъемных (прессовых, резьбовых, профильных, заклепочных и др.), выполненные в последние десятилетия, выявили перспективные пути решения этой проблемы. Одним из таких путей является разработка методов увеличения площади опорной поверхности сопрягаемых деталей соединения, методов расчета напряженно-деформированного состояния соединений с упругопластическим деформированием одного из сопрягаемых элементов при заданных микро- и макродискретностях рельефа поверхности другого элемента.

В диссертации представлены результаты исследований в области разработки способов определения и увеличения площади опорной поверхности, методов расчета соединений, испытывающих переменное воздействие внешних сил. В качестве объектов исследования выбраны цилиндрические соединения, пластичность охватываемых элементов которых значительно больше пластичности охватывающих элементов.

Работа входит в координационную программу "Высокопроизво-дигельные экологически безопасные технологии обеспечения прочности и несущей способности деталей машин и их соединений"(г/б тема № Ф37-93, Головной Совет в МЭУ, г. Москва).

Цель работы заключается в разработке основ обеспечения прочности осесимметричных профильных неподвижных соединений и в создании методик расчета неподвижных соединений с деформируемыми охватываемыми элементами.

Общая методика исследования. Исследования основываются на научных положениях теории деформаций и напряжений, устанавливающих связь между геометрическими соотношениями микро- и макрорельефа поверхности и площадью опорной поверхности с учетом физико-механических свойств материала,

характера иагружения и совместности перемещений на участке контактирующей поверхности и за его пределами.

В связи с этим решались следующие задачи.

1. Изучение известных и создание эффективных методов определения площади опорной поверхности (фактической площади контакта).

2. Разработка способов увеличения площади опорной поверхности сопрягаемых элементов неподвижного соединения и повышение прочности соединения за счет создания упорядоченного рельефа поверхности сопряжения одного из элементов соединения.

3. Разработка методов расчета напряженно-деформированного состояния профильного неподвижного соединения при условии переменного воздействия внешних сил с учетом податливости и совместности перемещений на участке контактирующей поверхности и за его пределами.

4. Разработка и внедрение конструкции профильного неподвижного соединения с упорядоченным рельефом поверхности одного из сопрягаемых элементов.

5. Разработка и внедрение методов неразрушакяцего контроля прочности профильных и гладких неподвижных соединений.

Научная новизна.

1. Совершенствование теоретических основ контактного взаимодействия элементов неподвижного соединения с упорядоченным и стохастическим рельефом сопрягаемых поверхностей.

2. Описание влияния основных конструктивных и технологических факторов на прочность и несущую способность соединения, поверхность одного из элементов которого имеет заданный упорядоченный рельеф, отображающийся на поверхности сопряжения элемента, подвергаемого упругопластическому деформированию.

3. Предложена математическая модель преобразования поверхности сопряжения, при котором каждая точка поверхности деформируемог

элемента смещается по нормали к поверхности на расстояние, ограниченное профилем опорной поверхности с учетом ее податливости в процессе деформирования элементов соединения.

4. Предложена методика расчета упруготшастических деформаций профильных неподвижных соединений с минимальной толщиной сечения одного из элементов, эквивалентных по сопротивлению внешней нагрузке соединениям с "гладкими" поверхностями сопряжения, толщина сечения одного из элементов которых многократно превышает толщину сечения элементов профильных соединений с упорядоченным рельефом поверхности.

5. Разработан способ определения величин перемещений участков поверхностей сопряжения и участков поверхностей, определяющих форму соединения, удаленных от инденгора нагружения на расстояние, многократно превышающее толщину сечения элемента соединения.

6. Предложен метод неразрушающего контроля прочности профильных и цилиндрических неподвижных соединений по косвенным признакам, изменяющимся по величине под действием внешней нагрузки и других факторов.

Положения, выносимые на защиту.

1. Методы создания профильных неподвижных соединений с упорядоченным микро- и макрорельефом поверхностей сопряжения, повышение прочности которых достигается увеличением площади опорной поверхности сопрягаемых элементов.

2. Методы расчета напряженно-деформированного состояния профильного неподвижного соединения при условии переменного воздействия внешних сил с учетом податливости и совместности перемещений контактирующих участков элементов соединения.

3. Обобщение решения пространственного контактного взаимодействия с учетом особенностей протекания процесса деформирования в цилиндрическом соединении и при условии замещения цилиндрического соединения плоским.

4. Результаты комплексного исследования процессов заполнения профиля поверхности сопряжения одного из элементов соединения, изменение величин площади опорной поверхности в процессе деформирования элементов соединения при асимметричном нагружении.

5. Результаты комплексного исследования определения прочности и несущей способности профильного неподвижного соединения по косвенным признакам, которыми являются площадь опорной поверхности, электрическая проводимость и отраженный ультразвуковой сигнал.

Практическая ценность работы заключается в широком применении способов создания профильных неподвижных соединений высокопроизводительными экологически безопасными технологиями. Незначительные конструктивные особенности соединений позволяют уменьшить материалоемкость деталей и соответственно затраты на материалы.

При разработке технологических процессов изготовления элементов соединения появляется возможность исключить дорогостоящие финишные операции, а совмещение операций механической обработки поверхностей и сборки деталей позволяет осуществить замену магериалоемких и трудоемких соединений с натягом профильными неподвижными соединениями. Разработанный неразрушающий контроль позволяет определить состояние соединения, как в процессе изготовления, так и в процессе эксплуатации, а также прогнозировать уровень работоспособности узла на ближайший период эксплуатации.

Реализация и внедрение результатов работы. Разработанный и внедренный комплекс мероприятий в условиях изготовления и ремонта авиационных двигателей, гусеничных и других машин, замена дорогостоящих подшипников качения на подшипники скольжения с профильными опорными поверхностями охватывающего элемента, внедрение неразрушающих методов контроля неподвижных соединений позволили получить достаточно большой технико-экономический эффект, заключающийся в повышении прочности и надежности соединений, и уменьшении затрат на материалы и изготовление сборочных еди-

ниц. Результаты исследований внедрены на ОМПО им. П.И. Баранова, на Омском заводе транспортного машиностроения, Свердловском авиаремонтном заводе, Челябинском тракторном заводе.

Научные разработки диссертации внедрены в учебном процессе и используются при чтении курса "Теория надежности машин", а также в курсовом и дипломном проектировании.

Апробация работьь Результаты выполненной работы докладывались и обсуждались:

на Всесоюзной научно-технической конференции "Повышение долговечности и надежности машин и приборов"(Куйбышев, 1981 г.);

на зональном научно-техническом совещании "Расчеты на прочность деталей мапшн"(Омск, 1984 г.);

на республиканской конференции "Проблемы САПР и надежность ГПМ( Ленинград, 1986 г.); на межрегиональной конференции "Повышение конструкционной прочности деталей машин и режущего инструмента ЭФО и ЭХО -методами"(Омск, 1990 г.);

на научно-техническом семинаре МАМИ(Москва, 1992 г.); на научно-техническом Совете МЭЩМосква, 1992 г.); на XXX научной конференции профессорско-преподавательского состава, научных работников и аспирантов "Ресурсосберегающие технологии, проблемы высшего образова-ния"(Омск, 1994 г.);

на научно-технической конференции "Технология мапшнострое-ния"(Томск, 1970 г.);

на П межвузовской конференции "Температурные режимы - критерий надежности механизмов, узлов, машин"(Омск, 1972 г.);

на ХХШ научной конференции*ОмПИ(Омск, 1981г.); на научно-техническом семинаре кафедр "Технология машиностроения" и "Металлорежущие станки и резание" ТПИ(Томск, 1991 г.);

на научном семинаре кафедры "Автомобили и автомобильный транспорт" ОПИ(Одесса, 1989 г.);

на научно-техническом семинаре Одесского отделения Инженерной академии СССР(Одесса,1989 г.);

на научно-техническом семинаре кафедр механического факультета ТИЩТюмень, 1985);

на семинарах кафедры "Технология машиностроения", "Сопротивление материалов" и научных конференциях ОмГТУ;

на научно-техническом Совете ОмГТУ.

Публикации. По тематике исследований опубликовано 35 печатных работ, включая изобретение и семь зарегистрированных отчетов по НИР.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, rornt разделов, заключения, списка литературы из 209 наименований и приложений.

Основной текст изложен на 278 страницах машинописного текста, содержит 8 таблиц и 99 рисунков, приложения на 128 страницах.

1. СОСТОЯЩЕЕ ПРОБЛЕМЫ ПРОЧНОСТИ НЕПОДВИЖНЫХ СОЕДИНЕНИЙ

Работоспособность неподвижного соединения зависит от прочности элементов соединения и жесткости упругого контакта. Оценка прочности соединения может быть дана на основании результатов изучения процессов, протекающих в зоне контакта сопрягаемых поверхностей. Анализ различных подходов к построению методики расчета неподвижных соединений, включая расчет деформаций элементов соединения, позволяет сделать выбор критериев прочности, являющийся одной из важных задач при проектировании и изготовлении неподвижных соединений.

Способность сопротивляться относительному смещению элементов соединения обеспечивается в первую очередь величиной натяга, т.е. разностью размеров охватываемой и охватывающей деталей. Наименьшая величина натяга должна обеспечить такое давление на поверхностях сопряжения, которое создавало бы силу трения, уравновешивающую внешнюю приложенную нагрузку. Другими словами, для обеспечения неподвижности соединений средние (номинальные) контактные давления должны быть такими, чтобы силы трения превышали внешние сдвигающие силы как при нагружении осевой силой, крутящим моментом, так и при совместном действии осевой силы и крутящего момента.

Развитие этой области знаний применительно к решению задачи совместности перемещений охватываемого и охватывающего элементов соединения посвятили свои работы отечественные и зарубежные ученые: И.М. Карпухин, Е.С. Гречшцев, АА. Ильященко, П.Ф. Дунаев, Д.Н. Решетов, И.А. Иванов, И.А. Бир-гер, Г.Б. Иосипевич, Б.Ф. Шорр, A.B. Чичинадзе, В.И. Максак, Б.Ф. Советченко, Е.В.Лифпшц и другие.

Контактное взаимодействие твердых тел начал исследовать еще в конце XIX века Г. Герц. Дальнейшее развитие это направление получило в работах Н.М. Беляева, И.Я. Штаермана, А.И. Лурье, Н.П. Мусхелишвили, АА Галина, Л.Гудмена, Д.О. Блекеттера, Х.Д. Кристенсена. Однако в этих работах не учитывалась дискретность контакта сопрягаемых поверхностей деталей машин и изменения их физико-механических свойств в процессе эксплуатации.

На дискретный характер контактирования поверхностей было указано еще в XIX веке русским ученым А Палынау. Одним из первых советских ученых, обративших внимание на дискретность контакта, был A.B. Верховский.

В настоящее время положение о дискретности контакта является общепризнанным. Дискретность контакта обусловлена наличием на реальных поверхностях микрорельефа, волнистости и макроотклонений формы, которые вызывают значительные изменения величин герцевских контактных напряжений в крайних поверхностных слоях сопрягаемых деталей машин. На фактических площадках контакта возникают дополнительные контактные напряжения, не предусмотренные ранее при решении общей контактной задачи.

Впервые влияние состояния поверхности на контактные напряжения сжимаемых тел было учтено А.И. Петрусевичем и И.В. Крагельским. Этому вопросу были посвящены более поздние работы Н.Б. Демкина, З.М. Левиной и др.

Анализ этих работ показывает, что изучение контактного взаимодействия твердых тел направлено в основном на поиск эффективных средств снижения износа с учетом конкретных условий работы пар трения. Согласно правилу градиента сдвигового сопротивления Крагельского образовавшаяся фрикционная связь должна быть менее прочна, чем глубже лежащие слои. Разделение поверхностей трения слоем жидкой, консистентной или твердой смазкой - один из искусственных приемов создания положительного градиента

Теоретические и экспериментальные исследования прочности неподвижных соединений показали, что последняя зависит от большого количества факторов, одним из которых, как и у подвижных соединений, является площадь опорной поверхности (фактическая площадь контакта) элементов соединений. Д.Н. Реше-тов рекомендует повышать контактную жесткость созданием предварительного натяга с учетом нормальной и касательной податливости при расчете прочности фрикционных сцеплений. Задача о распределении давления в подшипнике скольжения решалась по следующей схеме. Вначале решалась плоская контактная задача для вала и кольца, вырезанного из корпуса. Для отдельных дуг контакта решалась задача о деформации контактирующих тел под действием элементарных ко-синусоидальных нагрузок с одной, тремя и шестью полуволнами и уравновешивающей нагрузки с противоположной стороны. Затем из условия плотного касания определялся действительный закон распределения давления по окружности. Для этого косинусоидальные нагрузки рассматривались как первые члены разложения эпюры давления в ряд Фурье. Составлялось выражение для среднего квадратиче-ского отклонения, и его производные по амплгауде каждой элементарной нагрузки приравнивались нулю. Далее решалась пространственная задача.

Исследования, проведенные Э.В. Рыжовым и его учениками на деталях, поверхности которых подвергались напылению твердыми сплавами, показали, что прочность сцепления напыленного материала с основным в значительной мере зависит от исходной шероховатости. Для установления математической зависимости между прочностью сцепления и влияющими на нее параметрами шероховатости поверхности были проведены специальные эксперименты в узком диапазоне варьирования входных параметров с использованием статистического метода планирования эксперимента.

Задача о перемещении двух выступов, различных по форме и по физико-механическим свойствам, приводит к внедрению одного выступа в другой, а следовательно, площадь фактического контакта будет определяться не площадью сечения каждого выступа на уровне его пластической деформации, а площадью сечения внедрившегося выступа на расстояние величины сближения, определяемого его пластической деформацией. В работах Ю.Г. Шнейдера и его учеников повышение прочности неподвижного соединения достигается созданием регулярного микрорельефа на сопрягающихся поверхностях элементов соединения.

Анализ приведенных и других результатов исследований прочности неподвижных соединений свидетельствует о том, что критерием их прочности наряду с прочностью сопрягаемых элементов соединения можно считать площадь опорной поверхности. Сведений о комплексном использовании площади опорной

поверхности в качестве критерия прочности неподвижного соединения в литературе не обнаружено. Таким образом, разработка теоретических основ определения и обеспечения прочности неподвижных соединений с заданным профилем поверхностей сопряжения и создание на этой основе оптимальных конструкций профильных неподвижных соединений позволяет существенно повысить прочность и снизить материалоемкость соединений.

Результаты анализа работ упомянутых авторов, а также анализ известных конструкций неподвижных неразъемных соединений, принципов обеспечения прочности и оценки работоспособности их позволили сформировать перечень задач, направленных на создание эффективного метода повышения прочности соединений, снижение трудоемкости их изготовления и материалоемкости конструкций.

1. Разработка теоретических положений, направленных на совершенствование основ контактного взаимодействия поверхностей с упорядоченным рельефом.

2. Разработка метода определения величины площади опорной поверхности с целью опгимизации геометрических характеристик упорядоченного рельефа.

3. Разработка математической модели преобразования поверхности сопряжения, при котором перемещение локальных участков поверхности одного из элементов соединения ограничено профилем поверхности сопрягаемого элемента.

4. Создание методики проектирования профильных неподвижных соединений с минимальной толщиной сечения элементов, эквивалентных по сопротивлению внешней нагрузке соединениям с "гладкими" поверхностями сопряжения.

5. Изучение общих закономерностей влияния профиля поверхностей элементов неподвижного соединения на его прочность.

6. Создание метода неразрушающего контроля прочности профильных неподвижных соединений по косвенным признакам, величина которых изменяется под действием внешней нагрузки и других факторов.

7. Определение перспектив развития проектирования и применения профильных неподвижных соединений.

2. КОНТАКТНОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ЭЛЕМЕНТОВ НЕПОДВИЖНОГО

СОЕДИНЕНИЯ

Профильными принято называть соединения, у которых контактирование элементов осуществляется по фасонной поверхности. В отличие от соединений с натягом прочность профильных соединений в значительной мере обеспечивается наличием профиля конгактируемых поверхностей, обеспечивающего "шпоночный эффект", формой профиля (рис. 1).

Механизм взаимодействия поверхностей деталей неподвижного соединения идентичен механизму взаимодействия поверхностей, перемещающихся относительно друг друга. Отличие в этих схемах взаимодействия обнаруживается в том, что количество и качество микро- и макронеровностей поверхностей деталей пар трения постоянно изменяется за исключением периода страгивания.

Рис.1. Профильные соединения 1 - охватывающий элемент, 2 - охватываемый эелемент

Другими словами, в начальный момент, в контакте поверхностей деталей пар трения находятся одни микро- и макронеровности, затем они постоянно или периодически сменяют друг друга.

В неподвижных соединениях в контакте находятся практически одни и те же микро- и макронеровности. Исключения составляют лишь те неровности, которые вступают в контакт при увеличении нагрузки в процессе эксплуатации рассматриваемого объекта. Поэтому при знакопеременных нагрузках в неподвижном соединении процесс упрочнения материала неровностей происходит достаточно быстро, а изменение свойств материала подповерхносных слоев происходит по другим законам, описанным выше.

Локальные давления на реальных пятнах контакта достаточно велики даже при малой нагрузке на элементы соединения из-за малости площади опорной поверхности пятен контакта. Вследствие расположения выступов на различных уровнях при увеличении нагрузки они вступают в контакт последовательно. Поэтому увеличение площади опорной поверхности происходит в основном за счет увеличения числа локальных участков поверхностей, вступающих во взаимодействие.

IIa поверхностях твердого тела атомы или молекулы находятся в неуравновешенном состоянии. Оно характеризуется поверхностной энергией, которая может иметь значительную величину, для металлов порядка 2000-4000 эрг/см. Это приводит к активному взаимодействию поверхности твердого тела с атомами или молекулами окружающей среды: газа, жидкости или твердого тела. Поэтому на поверхности твердого тела в доли секунды образуются адсорбированные пленки различных паров, хемосорбированные пленки.

На зачищенных, освобожденных от окислов поверхностях металлов наблюдаются явления холодной сварки. Мостики сварки легко разрушаются при снятии нагрузки. Разрушение адгезионной связи происходит или по месту образования связи или на некоторой глубине.

В соответствии с этим И.В. Крагельским и его учениками сформулирован закон градиента сдвигового сопротивления, согласно которому образовавшаяся фрикционная связь должна быть менее прочна, чем глубже лежащие слои. Применительно к неподвижному соединению это правило также справедливо, так как в отличие от пары трения условием неподвижности соединения, с этой точки зрения, будет отсутствие на поверхности твердого тела ослабленного слоя, локализирующего деформацию сдвига.

Для оценки процесса трения применяются две безразмерные характеристики: h/r- отношение глубины внедрения неровности к ее радиусу и г/сгг - отношение сдвигового сопротивления на этой неровности к пределу текучести наклепанного материала основы. Для обеспечения внешнего трения сумма этих отношений должна быть;

h т 1

- +-

Г C(7T 1

чем меньше эта сумма, тем лучшие условия создаются для узла трения.

Можно предположить, что для обеспечения неподвижности соединения

h т 1

г + сат~2' (2)

где С & ^ .

Это условие справедливо для соединения любой формы - цилиндрической, конической и фасонной (профильного соединения).

Если же учесть "шпоночный" эффект, создаваемый неровностями на макроуровне для профильного соединения будет справедливо условие (1). Критерием прочности профильного соединения в этом случае можно считать опорную площадь поверхности, изменяющуюся не только от геометрических параметров микрорельефа сопрягаемых поверхностей, физико-механического состояния материала приповерхностного слоя, но и от формы профиля. Более подробно этот вопрос рассмотрен в последующих разделах.

Образование и последующее разрушение адгезионного шва зависит от твердости материала и от твердости пленки, образуемой на металлической поверхности. Чем, меньше твердость материала, тем вероятнее разрушение пленки и образование адгезионного шва между обнаженными металлами.

Независимо от закона распределения контактных давлений q (рис. 2) нелинейность зависимости сближения от давления в контакте наблюдается в начальный момент нагружения (рис. 3).

Экспериментальная кривая а = f(q) иллюстрирует зависимость деформации объекта от действующей нагрузки, когда присутствуют пластическая, упруго-пластическая и упругая деформации. Величина и характер деформации зависит в значительной мере от характеристик отклонений формы (рис. 4) г, L и Я для схем а, б, в, г, д, еиот/,и#-дляжиз.

Наличие макро- и микродискретности контакта (рис. 2) также способствует появлению участка ОС (рис. 3) характеризующего нелинейность зависимости а = f(q). Иначе говоря, фактическая площадь контакта, величина которой в несколько раз меньше площади, ограниченной периметром соприкасающихся тел, существенно влияет на вид зависимости а = f(q). Результаты опытов, проведенных автором, показывают, что зоны контактирования распределяются по поверхности сопряжения с различной плотностью из-за наличия микровыступов, волнистости и отклонений формы.

ц

А В

Ч кПа

О 0.2 0.4 0.6 0.0

Рис 3. Зависимость сближения а от давления д в контакте для образцов из стали

12ХНЗА

Очевидно, распределение давления по контактирующей поверхности соответствует распределению локальных участков фактического контакта. Одним из наиболее популярных методов описания микрогеометрии поверхности является метод, представленный Н.Б. Демкиным в безразмерных величинах.

а мкм

Начальная часть кривой опорной поверхности (рис. 4) аппроксимируется степенной зависимостью:

= , (5)

где ?}ц - отношение суммы сечений профиля на уровне с ординатой У к длине про-филограммы. Величина У отсчитывается от некоторой базовой линии; е = у/Птах-относительная глубина сечения, где Нтах - максимальная высота выступов; Ь и V -относительные безразмерные параметры микрорельефа.

Рис. 5. Микрорельеф и кривая опорной поверхности

Идентичность начальных участков кривой зависимости а = /(Р) и

— объясняется упругопластическим деформированием микровысту-

иов. Иначе говоря, малые нагрузки вызывают преимущественно деформацию неровностей, большие - деформацию сжимаемых тел.

Приведенный анализ результатов исследований позволяет утверждать о существовании зависимости между фактической площадью контакта поверхностей и сближением контактируемых тел. Эта зависимость наблюдается го выражения И.В. Крагельского для определения фактической площади контакта:

= Ге -(х-а)-<£с, (6)

о\

где - фактическая площадь контакта, х - наиболее вероятная высота неровностей, а - среднее квадратическое отклонение высоты неровностей, х - исходная высота выступов, а - сближение контактирующих поверхностей, г - радиус сфер, п - число выступов.

Демкин Н.Б. эмпирически определил фактическую площадь контакта в зависимости от сближения и параметров начального участка опорной кривой.

Н ^^тах У

5-

и

(7)

где - фактическая площадь контакта, ¿н - номинальная (расчетная) площадь поверхности, а - величина сближения, Нтах - максимальная высота неровностей, Ь, со - эмпирические коэффициенты, кривой опорной поверхности.

Таким образом, контактное взаимодействие сопрягаемых тел всегда характеризуется контактным давлением, опорной площадью поверхности, сближением и другими параметрами, изменение которых инициирует изменение опорной площади поверхности.

Следовательно, но нашему мнению, фактическую площадь контак-та( опорную площадь поверхности) можно считать критерием прочности неподвижного неразъемного соединения(ННС).

Для доказательства этой гипотезы были проведены дополнительные исследования по определению сближения, величины опорной площади поверхности (ОПП) и ее влияния на прочность ННС. В этой части исследований большое внимание уделено изучению возможности применения косвенного метода определения ОПП по изменению электрической проводимости в контакте.

Процесс прохождения тока через контакт двух металлов подробно рассмотрен Г.И. Епифановым.

Принимая толщину двойного электрического слоя в месте контакта за плоский конденсатор, было получено выражение для определения этого слоя

, (8)

ч

где е0 - электрическая постоянная, д - заряд на обкладках конденсатора, [Д - разность потенциалов между обкладками.

Определив величину q для Ь\ = 1 В, можно просчитать необходимое количество электронов, протекающих с контактной поверхности одного металла на контактную поверхность другого металла. Для возникновения двойного слоя требуется всего 2% свободных электронов.

Столь незначительное изменение концентрации электронного газа в контактном слое, с одной стороны, и малая толщина этого слоя по сравнению с длиной пробега электрона , с другой стороны, не могут привести к сколько-нибудь заметному изменению электрической проводимости этого слоя по сравнению с металлом в объеме. Через контакт двух металлов, по мнению Г.И. Епифанова, электрический ток идет так же легко, как и через сам металл.

В качестве модели ННС использовалась пара цилиндрических образцов, сопряженных плоскими торцами. Если ввести в соприкосновение два плоских то-копроводящих образца, подать на них электрический ток и измерять изменение разности потенциалов при изменяющемся усилии сжатия, это изменение можно описать некоторой зависимостью.

где Ок - контактная электрическая проводимость; Як - сопротивление в контакте; I - сила тока; и - разность потенциалов в контакте; Р - усилие сжатия образцов.

Опыты, проведешше на образцах из стали, меди, чугуна, латуни, алюминия, а также на комбинированных парах: сталь - медь, сталь - чугун, сталь -латунь и другие, показали, что вид зависимости (9) остается постоянной. По полученным значениям строились графики зависимостей ок =/{р) И а = /(Р) в декартовой система координат (рис. 6).

о

г

ч—

ъ «

.X

о

5 4 3 2 1 О

г "ОС >

1*'

/ г

1

О 1. 3 4. 6 7. 9 РМПа 5 5 5

30

а мкм25 20 15 10 5 0

Л

Л*

Р МПа

О 1.5 3 4.5 6 7.5 9

а) Зависимость О^ — У(-Р) б) Зависимость в — У(.Р)

Рис. 6.

В двойных логарифмических координатах результаты — изображаются линией, близкой к прямой.

Это позволяет аппроксимировать данную экспериментальную зависимость математической формулой вида

РП£

вк^тг Г (Ю)

где тя и пг - постоянные для данных образцов и данных условий опыта -коэффициенты, определяемые по общеизвестной методике.

Принимая, что электрическая проводимость является линейной функцией от опорной площади поверхности, можно записать:

5Н К

рпч

г , (11)

где о - опорная площадь поверхности, отнесенная к номинальной в проценты

тах; К - коэффициент пересчета электрической проводимости в относительное значение ОПП.

Зависимость а = /{Р) аппроксимируется на большей части линейной функцией вида:

а = та + паР , (12)

где та - величина начальной ординаты, па - угловой коэффициент.

Отрезок та тем больше, чем больше несовершенств микро- и макрорельефа поверхности. Полагая а=0 при Р=0, с увеличением нагрузки в контакт вступает все большее число микровыступов. Наступает такое предельное состояние, когда несущая способность площади контакта становится достаточной для уменьшения пластической деформации микровыступов до минимального уровня. Участок 0А (рис. 5) при нагрузке от 0 до 1,5 МПа характеризует величину упругопластиче-ской деформации микровыступов. Дальнейшее нагружение на участке АВ при нагрузке от 1,5 до 7,5 МПа сопровождается практически только упругой деформацией макровыступов и тела образца. При повторном нагружении кривая смещается вниз на некоторую величину Ла . Это объясняется пластическим деформированием микровыступов, которое проводит к упрочнению поверхностного слоя металла и повышению предела упругости.

Длительная прочность ННС прямо или косвенно связана с пластической деформацией микровыступов в зоне контакта, так как охватываемая и охватывающая детали постоянно находятся в напряженном состоянии.

Результаты исследования зависимостей:

а = Л?),

/(ад)

позволяют сделать вывод о том,

что критерием прочности и длительной прочности ННС является опорная площадь поверхности. Увеличение ОШ1 до максимально возможного уровня позволяет увеличить прочность соединения и снизить материалоемкость элементов ННС. Реализация этого эффекта наиболее целесообразна для профильных ННС.

3. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА

УПРУГОПЛАСТИЧЕСКОГО ДЕФОРМИРОВАНИЯ ННС

Соединение деталей машин методом упругопластического деформирования является одним из распространенных способов получеши ННС. Например, подшипники скольжения, как и другие соединения с натягом, представляют собой сопряжения, в которых передача нагрузки от одной детали к другой осуществляется за счет сил трения (сцепления) на поверхностях контакта, образующихся благодаря силам упругости. Сила трения покоя увеличивается с увеличением площади опорной поверхности. Если для соединений типа "ласточкин хвост", шлицевых и других профильных соединений повышение точности изготовления, совершенствование формы профиля способствует повышению длительной прочности соединения, то для ННС, сборка которых осуществляется пластическим деформирова-. нием одного из элементов соединения, при определенных особенностях конструкций, погрешности формы, благодаря увеличению площади контурной поверхности, будут способствовать увеличению опорной площади поверхности и, соответственно, прочности соединения.

С целью уменьшения концентрации напряжений предлагается волнистый профиль опорной поверхности охватывающего элемента ННС. В этом случае при упруготастическом деформировании деформирующим протягиванием (дор-нованием) такого ННС, как подшипник скольжения, охватываемым элементом которого является втулка (кольцо) из сплава на основе меди, коэффициент заполнения профиля опорной поверхности К1п можно считать равным единице по отношению к контурной площади профиля без учета заполнения микрорельефа поверхности.

Процесс упругопластического деформирования охватываемого элемента с учетом податливости охватывающего элемента, совместности перемещений деформируемых участков обоих элементов и скорости движения деформирующего инструмента можно описать дифференциальным уравнением энергии.

Известно, что изменение энергии системы определяется полученной ею теплотой и совершенной работой. В данном случае под системой понимается часть движущейся однокомпоненшой однофазной среды в объеме IV, который ограничен условно неподвижной фасонной поверхностью К

В действительности же фасонная поверхность охватываемого элемента формируется в радиальном и осевом направлениях пропорционально натягу, создаваемому деформирующим элементом инструмента.

Полагая, что изменение полной энергии среды в объеме Ж происходит благодаря упругому деформированию охватывающего элемента, работе внешних массовых и поверхностных сил, при определенных свойствах материала, оказывающих сопротивление внешним воздействиям, другие возможные причины изменения энергии: качество смазки инструмента, шероховатость поверхности деформирующего элемента и т.д. - для простоты не учитываются.

В соответствии с изложенным можно записать выражение:

где р - плотность материала, V - модуль скорости, 17 - внутренняя энергия единицы массы, п - единичный вектор внешней нормали к поверхности площадью Ь\ д - вектор плотности контактного давления, обусловленного рельефом поверх-

ности и податливостью, Р - вектор внешних сил, Рп - вектор поверхностных сил на площадке с нормалью п, - мощность внутренних сил, обусловленных свойствами материала, оказывающих сопротивление внешним воздействиям. Круглыми скобками обозначено скалярное произведение.

Окончательно уравнение энергии может быть представлено следующим

образом:

Скалярное произведение тензора внутренних напряжений и тензора скоростей деформаций (P.S) представляет собой работу внутренних сил в единице объема среды за единицу времени и выражается различным образом для разных моделей сплошной среды.

(13)

->

->

(14)

В твердом теле, подчиняющемся закону Гука, часть энергии тратится на работу сил упругих деформаций. Если считать, что причиной появления таких деформаций является неравномерное внешнее воздействие (дорна, протяжки, прошивки или другого инструмента), то при отсутствии напряжений сдвига (всестороннее растяжение или сжатие) работа сил внутренних напряжений в единицу времени, определяется выражением

(P,S)= {-(P,U)= и, (15)

от рот

где и - тензор деформации; И - вектор смещения рассматриваемой точки; ¡3 -коэффициент расширения твердого тела за счет внешнего воздействия; % -удельная податливость при постоянном давлении и постоянном объеме.

В основу феноменологической теории процесса деформирования положим гипотезу Фурье, согласно которой плотность теплового потока пропорциональна градиенту температуры. Адекватность процесса распространения теплоты и процесса деформирования позволяет использовать гипотезу Фурье в том случае, когда плотность потока напряжений пропорциональна градиенту деформации. Это положение справедливо только для стационарных процессов деформирования или

для процессов с бесконечно большой скоростью распространения деформаций. Из ->

соотношения С — ~£а Г С1 с1 Ы следует, что градиент перемещения и

плотность потока деформаций в любой момент соответствуют друг другу. При нестационарности процесса деформирования такого соответствия, очевидно, не будет, так как при резком изменении потока напряжений, т.е. при макродискретности рельефа поверхности охватывающего элемента ННС перестройка поля деформаций и изменение градиента перемещений будут происходить с некоторым смещением во времени. Это смещение будем называть временем релаксации. Оно характеризует процесс изменения кривой деформации в соответствии с изменением потока напряжений.

Постановку задачи переноса энергии нагружения и ее решение можно условно разделить на несколько этапов.

На первом этапе изучаются свойства материала инструмента, его деформирующих элементов. При этом следует выделить наиболее напряженные элементы конструкции, его геометрические параметры.

На втором этапе устанавливаются режимы деформирования с учетом физико-механических свойств материала деформируемого элемента, его геометрических параметров, строится физическая модель процесса деформирования.

На третьем этапе математически обрабатывается физическая модель. Устанавливаются основные и дополнительные уравнения, условия однозначности и, если это необходимо, строится математическая модель процесса.

На четвертом этапе выбирается метод решения задачи. Методом решения определяется не только точность результатов, но и трудоемкость решения.

На пятом этапе проверяются и анализируются полученные результаты. Этот этап является весьма ответственным, так как по полученным результатам необходимо дать заключение или выработать рекомендации не только по режимам технологической операции, но и по изменению конструкции охватывающего элемента и по выбору геометрических параметров обоих сопрягаемых элементов соединения.

Феноменологический метод изучения процессов деформирования характеризуется следующими особенностями:

1. Деформирование одного из элементов соединения рассматривается как последовательно прерываемый процесс с переменной нагрузкой, передаваемой от инструмента к поверхности деформируемого элемента.

2. Математическое описание процесса деформирования базируется на законах сохранения и превращения энергии и сохранения количества движения. Эти законы имеют общий характер и не отражают всех особенностей микроскопического механизма процесса. Системы дифференциальных уравнений, полученные при математическом описании, незамкнуты, т.е. число неизвестных в них больше чем число уравнений.

3. Для составления замкнутой системы дифференциальных уравнений используются гипотезы о дополнительных связях между отдельными параметрами процесса. Здесь рекомендуется использовать гипотезу Био-Фурье, гипотезу Фурье-Остроградского о векторе плотности потока нагружения, гипотезу Ньютона о вязком трении.

4. Физико-механические параметры материала, такие как твердость, вязкость, прочность, пластичность, упругость, податливость, принимаются известными по данным изучения микроскопического механизма процесса.

5. Изменение объема в результате процесса деформирования происходит в установленных заранее пределах, обусловленных натягом в сопряжении поверхностей деформируемого элемента и инструмента.

Полная система уравнений, описывающая перемещение микрообъемов деформируемого элемента в результате воздействия нагрузки на поверхность, состоит из уравнений энергии (равновесия).

Процесс деформирования рассматривается, в основном, для цилиндрического соединения. В связи с этим в зависимости от размеров все соединения разделены на две большие группы: соединения малого диаметра(<1 < 20 мм) и соединения большого диаметра (с! > 20 мм). Такое деление условно, оно вызвано постановкой задач процесса деформирования. Так, у соединений малого диаметра все-

гда следует учитывать цилиндричностъ формы, в то время как у соединений большого диаметра процесс деформирования может быть рассмотрен без учета цшган-дричносги формы в прямоугольной системе координат.

Охватываемый элемент представляет собой полый цилиндр (втулка) из сплава на основе меди (бронза, латунь), с внутренней стороны втулка подвергается силовому воздействию инструмента (дорна, протяжки, прошивки) или равномерно распределенной нагрузки, являющейся следствием взрыва или гидравлического удара. Рассмотрим общий случай, когда упругопластическая деформация появляется в результате одного из перечисленных воздействий при условии, что главный вектор напряжений направлен по радиусу.

Решение задачи будем искать в цилиндрической системе координат. Если ось Z цилиндрической системы координат совместить с осью втулки, то система уравнений описывающая процесс деформирования наружной поверхности охватываемого элемента будет иметь следующий вид:

1 âu(r,<p,z,r) , v

-/---=dive0gradu\rtq>,z,T), (16)

; дт

где г - Д Юо - относительный натяг между отверстием диаметром О0 и инструментом диаметром Д, ) - жесткость комплекта, г, <р, г - текущие значения координат, г - текущее время.

Уравнение энергии (16) является нелинейным. Для вывода рабочей зависимости примем значения физико-механических свойств внутренней поверхности втулки постоянными, равными средним значениям для рабочего интервала деформации. В этом случае уравнение энергии принимает более простой вид:

âi{r,(p,z,z)

дт

■а

д2г(г, (р, z,t) 1 diJ[r,(p,z,z)

âr1

дг

+

1 Ô2i{r,(p,z, r) t â\(r,(p,z,x)

d(p2

âr2

(17)

где а = Usn - перемещение точек поверхности втулки по осям координат.

Для отыскания решения уравнения (17) необходимо перейти к соответствующему уравнению в конечных разностях, воспользовавшись рядом Тейлора.

Порядок расчета поля деформаций нагруженной поверхности охватываемого элемента следующий:

1. По выбранному или заданному материалу втулки определяем характеристики а, г, /

2. Задаваясь шагом интегрирования по координате и по времени, делаем проверку правильности выбранных шагов.

3. Заполняем нулевую строку расчетной схемы по начальным условиям.

4. По начальным значениям положения определяем перемещения точек наружной поверхности для следующего момента.

5. По значениям положения точек деформирующей поверхности и наружной поверхности втулки ив, а также по перемещениям ближайших точек м; и и2 для момента Л г находим перемещение наружной поверхности.

6. По значению перемещения в момент Лт определяем перемещение для следующего момента 2Ат интегрирующих точек.

7. Зная макрорельеф формирующей поверхности, а также деформации точек для момента 7Ат, находим для этого момента перемещение поверхности втулки.

8. Далее расчет повторяется согласно п.п. 6 и 7 до конца процесса деформирования.

4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЧНОСТИ ПРОФИЛЬНЫХ НЕПОДВИЖНЫХ НЕРАЗЪЕМНЫХ СОЕДИНЕНИЙ

Работоспособность и прочность профильных ННС в решающей степени определяются процессами, протекающими в зоне контакта охватываемой и охватывающей деталей. Поэтому изучению формирования "профильного" контакта и его закономерностям уделено наибольшее внимание.

На плоских моделях ННС изучалось влияние формы профиля (макрорельефа) одной из сопрягаемых поверхностей на величину фактической опорной площади поверхности. Представлялось интересным исследование процесса заполнения профиля поверхности образца из более твердого материала более мягким при упругошастическом деформировании образцов.

На плоских и цилиндрических образцах, один из сопрягаемых элементов которых изготовлен из резины с нанесенной прямоугольной сеткой, изучалась целесообразность применения той или иной формы профиля, исходя из максимальной нагрузки (рис. 7).

Визуализация процесса заполнения осуществляется на цилиндрических образцах (рис. 8), у которых охватывающий элемент был изготовлен из прозрачного материала (оргстекло, эпоксидная смола).

Коэффициент заполнения К-т — Бф/Бк при равном усилии нагружения и равной контурной площади поверхности охватывающего элемента был всегда больше при сопряжении поверхностей, у профиля которых радиус выступов и впадин был больше.

На основании этих опытов была рекомендована волнистая форма профиля поверхности охватывающего элемента, которая предпочтительнее еще и с точки зрения технологичности.

Механизм процесса упругоилаетического деформирования охватываемого и охватывающего элемента изучался с помощью численного эксперимента, в основу которого положен метод конечных элементов, позволяющий с некоторой степенью приближения рассчитывать напряженно-деформированное состояние среды при отклонении зависимости "напряжение-деформация" от линейной. Решение осуществляется путем последовательного приближения: в каждом приближении среда рассматривается как линейно деформируемая, а ее параметры корректируются в зависимости от напряжений, действующих на отдельных участках.

При составлении расчетной схемы использовались тороидальные конечные элементы с треугольным поперечным сечением. Перемещение любой точки внутри треугольного конечного элемента описывается с помощью тех же функций перемещений, что и в плоской задаче, т.е. функция перемещений считается линейной. Для однозначного определения перемещений в элементе используется линейный полином аналогично плоской задаче.

Составленная матрица жесткости системы элементов предусматривает разделение внешних сил и на составляющие, с тем, чтобы напряженно-деформированное состояние в каждом элементе соответствовало напряжениям и деформациям, возникающим в нем при совместной работе всех элементов, объединенных в точке I.

Тогда компонента перемещений вершин треугольников в « под действием составляющих сил должны быть одинаковы и равны и, и У, при выполнении условия равновесия в точке /:

+ +Д,; =/>/* + ■•■ +Л,

где /■-х,-,/л /я ,/>/,•••,./% - составляющие внешних сил. Индекс сверху

указывает к какому элементу относится компонента силы.

Решая систему уравнений, связывающих соответствующие силы в точке г, поочередно для всех узлов от / = 1 до / = и, вычисляются все члены матрицы жесткости системы.

На первом этапе численных экспериментов проводились исследования упругих деформаций кольца при последовательном перемещении вдоль оси кони-

ческого деформирующего элемента с заданным натягом при отсутствии охватывающего элемента.

На втором этапе изучался механизм упругопластического деформирования при условии, что перемещения узлов сетки наружной поверхности не ограничены.

На третьем этапе исследовался механизм процесса упругопластического деформирования при наличии охватывающего элемента с заданным макрорельефом сопрягаемой поверхности.

Анализ результатов проводимых исследований на ЭВМ позволил определить начало пластических деформаций, их величину, величины натяга деформирующего элемента и кольца (втулки), оптимальные геометрические параметры профиля, необходимые для максимального заполнения профиля без разрушения (повреждения) охватываемого элемента и ННС в целом.

Дальнейшие экспериментальные исследования проводились на образцах ННС, цилиндрической формы с постоянным и переменным сечением охватывающего элемента, изготовленного из конструкционной стали 45, на внутренней поверхности которого создавался макрорельеф в виде продольных, поперечных, винтовых и пересекающихся канавок, с различными геометрическими параметрами. Охватываемые элементы образцов были изготовлены из бронзы ОЦС 5-5-5 и латуни Л-63, охватывающие - из алюминиевого сплава Д16 и стали 45.

Сборка образцов осуществлялась деформирующим протягиванием (дор-нованием) на гидравлическом прессе и на вертикально-протяжном станке с изменением указанных выше геометрических параметров элементов ННС и режимов процесса дорнования. Сравнение результатов анализа проведенных исследований на физических моделях ННС с результатами численного эксперимента и полученные удовлетворительные результаты, касающиеся повышения прочности ННС, благодаря увеличению площади опорной поверхности сопряжения, позволило принять решение о проведении экспериментальных исследований на реальных сборочных единицах. Опыты проводились: на шатунах поршневых авиационных, автомобильных, тракторных и судовых двигателей, на турбинных датчиках расхода, на подшипниках скольжения других технических устройств. Лабораторные, стендовые и эксплуатационные испытания дали положительные результаты. Прочность профильных соединений по сравнению с гладкими - выше в два, три и более раз.

Особенность конструкции опорного катка гусеничной машины, представляющая собой две сопряженные оболочки, причем охватываемая деталь - ступица изготовлена из алюминиевого сплава АЛ4М, охватывающая деталь - бандаж из стали 40, потребовала оригинальных дополнительных решений задачи повышения прочности рассматриваемого ННС. Условие неподвижности соединения при заданном действии осевой сдвигающей силы обеспечивалось профилем сопрягаемой поверхности бандажа при сборке ННС с охлаждением охватываемой детали до температуры жидкого азота.

Исследования процесса дорнования, сопровождаемого упругопласгиче-скими деформациями охватываемой детали и упругими деформациями охватывающей детали, проводилось методом конечных элементов с целью определения сил, возникающих в сопряжении, характеристик напряженно-деформированного состояния и остаточных деформаций. Исследуемая область - продольное сечение сопряжения, состоящего из охватывающей и охватываемой деталей со значительным отклонением физико-механических свойств - корпус из стали 45, втулка из бронзы ОСЦ 5-5-5 - разбивается на конечные элементы с определенной дискретизацией. Рассматривалась также область с треугольным выступом на поверхности отверстия втулки в зоне впадины профиля отверстия корпуса.

Предлагаемая схема исследования сборки дорнованием аналогична схеме исследования дорнования внутри профильного неподвижного соединения с учетом возможного радиального перемещения внешней поверхности втулки.

При расчете упругопластических деформаций в процессе дорнования предполагалось, что втулка и корпус имеют непрерывный контакт поверхностей в сопряжении. Поскольку охватывающая деталь деформировалась упруго, то после определения остаточных перемещений сопрягаемой поверхности охватываемой детали, были получены величины радиальных сил, действующих в сопряжении. При этом контактное давление в стыке оказалось в отдельных местах отрицательным, что являлось признаком раскрытия стыка.

После разъединения деталей, осуществленного расчетом при последовательном раскреплении сопрягаемых узлов, получены данные о суммарных остаточных деформациях сопрягаемой поверхности охватывающей детали в зоне стыка для соединения с гладкой втулкой и для соединения с трансформацией треугольного выступа

Анализ полученных результатов исследования показывает необходимость учета возможности раскрытия стыка как после сборки, так и в процессе сборки дорнованием, а также необходимость учета действия касательных поверхностных сил в сопряжении. Прочность неподвижного профильного соединения, полученного трансформацией искусственно созданных макронеровностей, повышается в условиях неравномерной податливости охватывающей детали при создании на поверхности отверстия дорнуемой втулки соответствующих по размерам и форме макроотклоненнй.

Существуют различные виды соединений, из которых рассматриваются профильные, с продольным синусоидальным или трапецеидальным и поперечным волнообразным и шлицевым профилем. Методы сборки профильных соединений с применением дорнования основываются, в основном на двух схемах - дорнование с большим натягом гладкой втулки и дорновании втулки с трансформацией макронеровностей, созданных на поверхности отверстая втулки, на внешнюю сопрягаемую с корпусом поверхность втулки. Анализ конструкции соединения и методов сборки показывает, что наиболее технологичной конструкцией является трапецеидальный профиль, а метод, обеспечивающий наиболее полное заполнение впадин

профиля охватывающей детали - это дорнование с трансформацией макронеровностей. В соответствии с этим проводилось исследование трансформации трапецеидальных макронеровностей при свободном дорновании втулки и процесса сборки с трансформацией трапецеидального профиля.

Явление трансформации заключается в том, что под действием больших радиальных и сдвигающих деформаций неровности поверхности втулки выравниваются, сглаживаются по дорну и частично переносятся на свободную поверхность детали, где образуется макропрофиль в виде уменьшенной копии неровностей исходной поверхности отверстия заготовки. Увеличение погрешности "свободных" размеров деталей после дорнования оценивается опытным коэффициентом трансформации кт - w/w,, где w - высота макронеровности, возникшей на свободной поверхности, ve3 - высота макронеровности на дорнуемой поверхности . Коэффициент кт зависит от отношения D/d и для малоуглеродистых и низколегированных сталей имеет следующие приближенные значения:

D/d... 1,1 1,2 1,3 1,4 кт ... 0,97 0,92 0,84 0,75

По другим данным амплитуду неровностей на свободной поверхности нужно увеличить в п раз, чтобы получить значения высоты неровностей отверстия, где

= <Л ~24~Ж)]

(18)

где dl Б - номинальные значения диаметра отверстия и толщины стенки заготовки; <1г - диаметр дорна; п - величина, обратная кт, т.е. кт= 1/и, или

кт=[я - 23{\ - ^Ж -1 - И - лМч Ж

(19)

Учитывая соотношения 8 = (О - d )/2 и - dí-d, получим зависимость кт от отношения О/с/

kr = \-{D/d~\)l{djd + Jdjd) .

(20)

Для области малых натягов, когда с!/с! = 1, формула примет вид

кт= 1 -(£>/</-1)/2 .

Для области больших натягов, когда (¡/Л =1,1

кт=1-{п/с1-\)/(ц + Щ

(22)

Зависимость кт 1 и кг 1.1 от О/с? следующая:

Ш ... 1,1 1,2 1,3 1,4 ... 0,95 0,90 0,85 0,80 кти - 0,95 0,90 0,86 0,81

В области малых значений О/с/ от 1,1 до 1,3 зависимости для коэффициента трансформации, практически совпадают, а в области больших значений О/У зависимость для кт 1 имеет меньшие значения.

Одной из задач исследования является проверка зависимостей для коэффициента трансформации в связи с тем, что эти зависимости позволяют рассчитать величину макронеровностей на внешней поверхности втулки при создании профиля на внутренней поверхности макронеровностей заданной величины и формы.

Первым этапом исследования было изучите процесса свободного дорно-вания втулки с трансформацией макронеровностей на внешнюю поверхность. Был разработан размерный ряд образцов с различной толщиной стенки, высотой макронеровностей и натягом дорнования. Диаметр дорна оставался постоянным, равным 23 мм. В результате исследования получена зависимость коэффициента трансформации от отношения О/с/:

Полученная зависимость подтверждает имеющиеся в литературе зависимости для коэффициента трансформации.

Вторым этапом исследования было изучение процесса образования профильного соединения с трансформацией макронеровностей. Исходя из полученной зависимости для коэффициента трансформации, была разработана группа парных образцов втулок и обойм с соответствующими значениями размеров поверхностей. Средняя толщина стенки втулки 2 мм. Толщина стенки обоймы была от 4,5 до 6,5 мм, длина сопряжения 35 мм, длина втулки и обоймы 50 мм. Результаты исследо-

О/с/... 1,07-1,13 1,16-1,23 1,25-1,32 кт ... 0,96 0,94 0,86

вания показывают, что остаточные деформации по диаметру наружной поверхности обоймы составляют от 0,11 до 0,30 мм при натяге в сопряжении от 0,2 до 0,54 мм. Остаточные деформации по длине обоймы составляют от 0,02 до 0,14 мм. Остаточные деформации внутренней поверхности втулки по отношению к диаметру дорна составляют от 0,14 до 0,23 мм при натяге дорнования от 0,4 до 2,2 мм. Прочность неподвижного соединения с трапецеидальным профилем сопрягаемых поверхностей возрастает пропорционально возрастанию площади опорной поверхности в результате пластического деформирования втулки по всему сечению.

5. МЕТОДОЛОГИЯ НЕ РАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ ПРОЧНОСТИ ПРОФИЛЬНЫХ И ДРУГИХ НЕПОДВИЖНЫХ СОЕДИНЕНИЙ ПО КОСВЕННЫМ ПРИЗНАКАМ

Прочность неподвижных соединений с заданным микро- и макрорельефом сопрягаемых поверхностей может быть определена неразрушающими способами. Для этой целя рассмотрена связь физико-механических свойств материалов деталей ННС и их геометрических параметров.

Анализ зависимостей, связывающих сближение сопрягаемых поверхностей, фактическую опорную площадь поверхности, контактную электрическую проводимость, удельное давление в контакте сопрягаемых поверхностей и др., показал, что прочность ННС может быть определена по изменению одного из указанных параметров фактической опорной площади поверхности сопряжения (ФОПП).

Сделав допущение о том, что коэффициент трения при прочих равных условиях обуславливается механическими свойствами материалов деталей ННС, можно утверждать, что ФОПП для выбранных материалов при неизменной технологии изготовления и сборки при одинаковом контактном давлении является единственным параметром, определяющим прочность неподвижного неразъемного соединения.

Наличие линейных зависимостей контактной электрической проводимости и контактного давления С^ = /(Р), относительного сближения сопрягаемых поверхностей и контактного давления а = /(Р) позволило обнаружить линейную зависимость электрической проводимости в сопряжении от фактической опорной площади поверхности металлического контакта Ок =/(Зф/8н).

С точки зрения точности измерения контактного электрического сопротивления и разности потенциалов в контакте двух поверхностей, измерения последней предпочтительнее. Поэтому для определения величины ФОПП при нераз-рушающем контроле измеряется разность потенциалов V.

Измеряемая величина и зависит не только от перечисленных характеристик сопряжения, но и от габаритов проверяемого изделия, электрических свойств материалов и других факторов. В этом случае целесообразно пользоваться эталонными изделиями.

О параметрах прочности ННС можно судить по распространению поверхностных акустоэлектрических волн в сопряжении поверхностей деталей соединения. Проходящая через сопряжение волна несет ряд информационных параметров (скорость, время распространения, сдвиг фаз, затухание, рассеивание и т.д.), по которым можно судить о величинах параметров, характеризующих прочность соединения.

Поверхностные акустические волны, например волны Релея, могут распространяться не только вдоль плоских, но и вдоль искривленных поверхностей. Поэтому по изменению параметров волны можно судить о параметрах микро- и макрорельефа поверхности. Поверхностные волны избирательно реагируют на отклонения формы поверхности. Затухание поверхностной волны зависит от геометрических параметров микро- и макровыступов.

В процессе эксплуатации ННС при многократном силовом воздействии как в осевом направлении, так и в нормальном, происходит изменение первоначальных физико-механических свойств приповерхностного слоя материала сопряженных деталей. В результате этого происходит раскрытие стыка сопряжении, определение величины которого на определенном этапе эксплуатации изделия позволит прогнозировать состояние объекта и целесообразность его дальнейшего использования.

Для этого разработан и внедрен на авиаремонтном предприятии ультразвуковой метод неразрушающего контроля ННС, в основе которого лежит эффект отражения ультразвуковых волн при прохождении среды с изменяющейся плотностью.

Разработанные методы неразрушающего контроля могут использоваться при изготовлении ННС и в процессе эксплуатации для обнаружения изменения их технического состояния с целью определения их долговечности.

Теоретические и экспериментальные исследования напряженно-деформированного состояния профильных ННС в процессе сборки методом последовательного упругопластического деформирования менее твердого элемента, в процессе разрушения при нагружении осевой силой и крутящим моментом позволили определить критерии прочности соединений, одним из которых является опорная площадь поверхности.

По изменению фактической площади опорной поверхности можно судить о способности ННС сопротивляться разрушению от воздействия, как статических, так и знакопеременных нагрузок. Усталостная прочность большинства из исследуемых сборочных единиц повышается в несколько раз в том случае, если площадь опорной поверхности остается неизменной или изменяется весьма незначительно в течение требуемого промежутка времени. Поэтому при проектировании ННС необходимо решать задачу увеличения площади опорной поверхности до требуемого уровня и обеспечения сохранения этого уровня на период эксплуатации объекта.

Удовлетворительные результаты, полученные при статических и циклических испытаниях на разрушение ННС, особенностью конструкции которых является наличие профиля сопрягаемой поверхности более твердого элемента с упорядоченным или стохастическим макрорельефом, позволили разработать рекомендации по оптимизации геометрических параметров элементов ННС, а также по выбору того или иного метода получения заданного макрорельефа и методов сборки соединения. При этом наличие технологических погрешностей формы, таких как волнистость, некруглостъ, бочкообразность и других при сборке упругопластиче-ским деформированием способствует повышению прочности соединения.

Стохастический макрорельеф, получаемый, например, электрохимическим травлением, целесообразно использовать в соединениях с натягом, сборка которых осуществляется с нагревом охватывающей детали и(шш) охлаждением охватываемой. Управляя режимами нанесения защитной маски и процессом травления, можно получить макро- и микрорельеф с оптимальными с точки зрения достижения максимальной величины фактической площади опорной поверхности геометрическими параметрами. В этом случае глубина впадин на опорной поверхности не должна превышать величины упругошастических деформаций с тем, чтобы коэффициент заполнения профиля приближался к единице (Кз„ = Бф/ Як = \) в пределах разрешающей способности средств измерений указанных характеристик.

Профильные соединения с таким рельефом поверхности испытаны на производственном объединении ЧТЗ в Челябинске. В качестве объектов исследований были шатуны с запрессованными в их поршневые головки бронзовыми втулками. Результаты заводских испытаний свидетельствуют о том, что статическая и циклическая прочность возросли в 2,5 - 3 раза.

Опорные катки со ступицами из алюминиевых сплавов и бандажами из стали 40 отвечают требованиям прочности, когда на поверхность сопряжения бандажа нанесен частично регулярный упорядоченный макрорельеф и стохастический микрорельеф с заданными геометрическими характеристиками.

Замена подшипников качения на подшипники скольжения у турбинных датчиков расхода ТДР была рекомендована по результатам анализа проведенных испытаний шарикоподшипников ТДР в агрессивных и неагрессивных средах. Долговечность турбинных датчиков после замены шарикоподшипников на подшипники скольжения возросла в 1000 раз и более. Замена игольчатого подшипника натяжного ролика мотокультиватора на подшипник скольжения с фторопластовой втулкой позволила отказаться от поставок подшипников качения и повысить долговечность сборочной единицы в 5-6 раз.

Разработанные методы и средства неразрушающего контроля профильных и других ННС позволяют осуществлять замеры косвенных параметров, по которым можно оценивать техническое состояние объекта на ближайший период эксплуатации.

Суммарный годовой экономический эффект от внедрения результатов исследований составил 1520 тыс. рублей в ценах до 1990 г.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные результаты диссертационной работы сводятся к следующему:

1. Выполненные исследования позволили усовершенствовать теоретические основы обеспечения прочности профильных неподвижных неразъемных соединений и создать на их основе методику расчета и проектирования соединений с регулярным, частично регулярным упорядоченным и стохастическим макро- и микрорельефом сопрягаемых поверхностей элементов соединений.

2. Предложена и экспериментально подтверждена гипотеза о повышении прочности неподвижных соединений, сборка которых осуществляется методами упругопластического деформирования и другими методами, способствующими максимальному увеличению фактической площади опорной поверхности.

3. Установлены закономерности аффинного преобразования поверхности сопряжения, при котором каждая точка поверхности деформируемого элемента отображается на поверхности, профиль которой ограничивает изменение формы за счет более высокой твердости материала и заданной жесткости одного из элементов соединения.

4. Установлены зависимости параметров прочности профильных соединений от фактической площади опорной поверхности для различных значений геометрических параметров макро- и микрорельефа поверхности, а также для различных параметров макродискретности регулярного, частично регулярного упорядоченного и стохастического рельефа опорной поверхности.

5. Развиты представления о механизме процесса деформирования материала охватываемого элемента неподвижного соединения при переменном воздействии внешних сил с учетом податливости охватывающего элемента и совместности перемещения точек поверхности в контакте. Определены условия раскрытия стыка в соединении, как на отдельных участках, так и по всей поверхности сопряжения.

6. Анализ результатов численных экспериментов позволил установить зависимость перемещений участков внешней границы при деформации внутренней поверхности ННС, позволяющей определить оптимальный профиль поверхности, при котором происходит наибольшее заполнение впадин макрорельефа при наименьшей величине сил, действующих на внутреннюю поверхность при неизменных и переменных свойствах материала деталей ННС, заданных значениями Е и /г. Определены условия, при которых появляются пластические деформации.

7. Разработаны конструкции профильных ННС, используемых в качестве подшипников скольжения, у которых сечение вкладыша (втулки) переменное по всей длине сопряжения и меньше, чем у гладких соединений в 1,5-2 раза. Таким образом, уменьшается металлоемкость конструкции.

8. Разработаны рекомендации по проектированию и изготовлению профильных ИНС с целью достижения требуемой прочности их, а также с целью замены подшит [иков качения подшипниками (опорами) скольжения отдельных сборочных единиц в зависимости от условий эксплуатации объектов. Разработаны и внедрены конструкции профильных ННС в различных отраслях машиностроения.

9. Разработаны и внедрены в производство методы и средства неразру-пхающего контроля профильных и других ННС, основанные на измерении величины фактической площади опорной поверхности и ее изменения в период эксплуатации, позволяющие без разборки соединения оценить его техническое состояние.

10. Введено понятие относительной площади опорной поверхности, исключающее необходимость подсчета всех пятен касания и определения их площади. Для этого достаточно в пределах поля объектива микроскопа найти площадь попавших в поле зрения пятен касания и отнести их ко всему полю, охватываемому объективом.

11. Полагая изменение С* пропорциональным Бф от нагрузки, полученная по данным опыта зависимость Ск=/(Р) градуируется в новых координатах

что позволяет по ней определить Яф при изменении Р в выбранных пределах без повторных экспериментов.

12. Микро- и макрорельеф поверхности металлического тела является основным фактором, определяющем работоспособность профильных неподвижных неразъемных соединений и соединений с натягом.

13. Величина измеренного натяга не всегда может быть критерием прочности и надежности посадок с натягом. При наличии погрешности формы сопрягаемых деталей необходимо осуществлять контроль соединений после сборки, так как погрешность формы при прочих равных условиях является фактором, определяющим величину фактической площади соприкосновения, а также прочность и надежность ННС.

14. Предлагаемые методы контроля ННС измерением электропроводимости в контакте сопрягаемых поверхностей и ультразвуковой могут использоваться как неразрушающие способы контроля ННС после сборки. Промышленные образцы устройств для неразрушающего контроля внедрены на машиностроительных предприятиях и используется для контроля неподвижных неразъемных соединений после сборки, а также после некоторой наработки.

15. Проведенное исследование намечает путь наиболее правильного выбора критериев работоспособности и надежности профильных неподвижных соединений.

Основные публикации

1. Наумов В .А., Моргунов АП. Качество обработанной поверхности и прочность неподвижных соединений //Технология машиностроения: тез. дсжл. науч.-техн. конф. - Томск.: изд. ТГУ,1970,- С. 127.

2. Наумов В Л., Моргунов АП., Дашков JI.B., Третьяков В.А. О закономерностях разрушения неподвижных соединений деталей машин в зависимости от шероховатости сопрягаемых поверхностей. // Сб. науч. работ факультета автоматических установок. Омск: Изд. ОмПИ, 1972. - С. 45-47.

3. Наумов В.А, Моргунов АП. Определение фактической площади соприкосновения плоских поверхностей. //Температурные режимы - критерий надежности механизмов, узлов, машин: Тез. Докл. П межвуз. Конф. - Омск: Изд. ОмПИ, 1972. - С.93-95.

4. Моргунов А.П. Вероятностная оценка надежности неподвижных неразъемных соединений. Сборник научных работ факультета автоматических установок. Омск. ОмПИ., 1977. - С. 45-47.

5. Моргунов АП. Влияние формы поверхностей на надежность неподвижных неразъемных соединений(посадок с натягом).//Сб. науч. работ факультета автоматических установок. Омск. ОмПИ., 1977. - С. 28-31.

6. Наумов ВА., Моргунов АН, Ксотчанова Н.И. Влияние погрешностей формы сопряженных деталей на несущую способность соединений.//Сб. Трудов ИЛИ. Иркутск: Изд. ИЛИ, 1979 -С.87-91.

7. Телевной A.B., Наумов ВА, Моргунов А.П., Безбородов Н.В., Козич В.И. Применение ультразвуковой дефектоскопии для оценки параметров надежности элементов поршневых авиадвигателей.//Повышение долговечности и надежности машин и приборов: Тез. Докл. Всесоюз. науч.-техн. конф. -Куйбышев: Изд. КПИ, 1981.-С.360-361.

8. Моргунов АП. Технологическое обеспечение прочности неразъемных соединений /Омск: Изд. ОмПИ, 1987. - 9 с. - Деп. в ВИНИТИ. 11.12.86 №8578-В86.

9. Моргунов АП. Конструкционно-технологическое обеспечение прочности профильных неразъемных соединений. // Повышение конструкционной прочности деталей машин и режущего инструмента ЭФО- и ЭХО- методами. Тез. межрегиональной конференции - Омск, 1990. - С. 5 - 6.

10. Моргунов АП., Шиповалов Г.Г. Расчет несущей способности неразъемных соединений.// Повышение конструкционной прочности деталей машин и режущего инструмента ЭФО- и ЭХО- методами. Тез. межрегиональной конференции - Омск, 1990. - С. 7-8.

11. Моргунов А.П., Ковалевский В.Ф., Шиповалов Г.Г. Технологическое обеспечение конструкционной прочности неразъемных соединений. // Повышение конструкционной прочности деталей машин и режущего инструмента ЭФО- и ЭХО- методами. Тез. межрегиональной конференции - Омск, 1990. - С. 6 - 7.

12. Моргунов А.П., Ковалевский В.Ф., Шиповалов Г.Г. Определение технологических факторов влияющих на прочность неподвижного соединения. // Повышение конструкционной прочности деталей машин и режущего инструмента ЭФО- и ЭХО- методами. Тез. межрегиональной конференции - Омск, 1990. - С. 9.

13. Моргунов А.П., Телевной А.В. Определение некоторых характеристик градиента сдвигового сопротивления подшипников скольжения // Повышение конструкционной прочности деталей машин и режущего инструмента ЭФО- и ЭХО- методами. Тез. межрегиональной конференции - Омск, 1990. -С. 25-26.

14. Моргунов А.П. Повышение прочности неподвижных соединений высокопроизводительными технологическими методами // Ресурсосберегающие технологии. Проблемы высшего образования / Научная конференция профессором -преподавательского состава, научных работников и аспирантов. Тез. докладов. -Омск, 1994. - С. 5.

15. Моргунов А.П. Масягин В.Б. Исследование напряженно-деформированного состояния цилиндрического кольца при внутреннем последовательном нагружешш. Омск: ОмГТУ, 1994. -7с. -Деп. в ВИНИТИ 15.09.94, № 2195-В94.

16. Моргунов А.П. Масягин В.Б. Исследование упругопластических деформаций цилиндрического кольца при В1[угреннем последовательном нагружешш. Омск: ОмГТУ, 1995. -7с. -Деп. в ВИНИТИ 23.03.95, № 792-В95.

17. Моргунов А.П. Масягин В.Б. Исследование упругопластических деформаций втулки профильного неподвижного соединения при сборке дорновани-ем. Омск: ОмГТУ, 1995. -9с. -Деп. в ВИНИТИ 24.03.95, № 802-В95.

18. Моргунов А.П. Технологическое обеспечешге неразъемных соединений /Омск: Изд. ОмПИ, 1987. - 9 с. - Деп. в ВИНИТИ. 16.12.86 № 8579-В86.

19. А.С. 370504 СССР. Способ определения фактической площади касания токопроводящих образцов/ Наумов В.А., Запорожцев В.П, Моргунов А.П. //Открытия, изобретения -1973.

20. Моргунов А.П. Масягин В.Б. Исследование остаточных деформаций деталей профильного неподвижного соединения при сборке дорнованием //Прикладные задачи механики. - Омск. 1997. Кн. 2,- С. 84-87.

21. Моргунов А.П. Масягин В.Б. Исследование процесса формирования профиля на внешней поверхности втулки неподвижного соединения методом дор-нования //Механика процессов и машин. Омск. 1996. - С. 68-71.

22. Моргунов А.П., Масягин В.Б. Применение дорнования при образовании соединений деталей типа втулка-корпус. Тез. докладов Международной конференции: Нефть и газ Западной Сибири. - Тюмень, 1996. - С. 17.

23. Моргунов А.П., Масягин В.Б., Деркач В.В. Исследование процесса сборки профильных неподвижных соединений методом дорнования. В сб. «Динамика систем, механизмов и машин», Омск, ОмГТУ, 1997. - С. 126.

24. Моргунов А.П. Масягин В.Б. Исследование с помощью ЭВМ процесса распрессовки неподвижного неразъемного профильного соединения. В сб. «Динамика систем, механизмов и машин», Омск, ОмГТУ, 1997.-С. 48.

25. Моргунов А.П., Масягин В.Б., ДеркачВ.В. Повышение прочности соединений с натягом при сборке дорнованием. Материалы Международной 52-й научно-технической конференции профессоров, преподавателей, научных работников, аспирантов и студентов БГПА "Технические вузы - республике". Минск, 1997. 4.2. -С.59.

Подписано в печать 23.06.98. Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная. Отпечатано на ризографе. Усл. печ. л. 2.5. Уч.-изд. л 2.5. Заказ 26. Тираж 100. Издательство ОмГТУ. 644050, г. Омск, пр. Мира,11.

/л О/. -¿}{'2и/о)

Министерство высшего профессионального образования

Российской Федерации

Смский государственный технический университет

' Л Р е 3 И Д И "7 М Россм Ы На ПР503^ рукописи

рзшение от ".//.." @б 15 № /&//Х*

присудил МОРГУНОВ ШУРпавлович

¿Г' ш:7

.......Разработка -и -обеспечение прочности

профильных неподвижных неразъемных соединений

01.02.06 - Динамика, прочность машин,

приборов и аппаратуры

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

Омск - 1998

ОГЛАВЛЕНИЕ

Стр.

ОСНОВНЬЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ........................................ 7

ВВЕДЕНИЕ................................................... 9

1. СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ ПРОЧНОСТИ НЕПОДВИЖНЫХ СОЕДИНЕНИЙ..... 14

1.1. Анализ дискретности контакта поверхностей неподвижных соединений................................. 15

1.2. Основы расчета прочности неподвижных соединений

( НС' ) 17

1.3. Определение деформаций охватываюдего и охватываемого элементов неподвижного соединения................. 27

1.4. Расчетная модель цилиндрического неподвижного соединения............................................. 39

1.5. Безмоментная симметричная деформация оболочек вращения............................................... 42

1.6. Выводы по обзору существующего состояния проблемы прочности неподвижных соединений и

постановка задачи...................................... 43

2. КОНТАКТНОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ЭЛЕМЕНТОВ НЕПОДВИЖНОГО СОЕДИНЕНИЯ................................................. 47

2.1. Контактное взаимодействие трущихся поверхностей... 50

2.2. Напряжения, деформации и кинематика раскрытия

стыка в соединении.................................................54

2.3. Взаимодействие атомов в металлических соединениях. 57

2.4. Контактная разность потенциалов....................60

2.5. Анализ разрушения приповерхностных слоев в неподвижном соединении..............................................62

2.6. Сближение и опорная площадь поверхности сопрягаемых тел........................................ 67

2.7. Методика и аппаратура исследования влияния рельефа на площадь опорной поверхности................ 76

2.8. Моделирование процесса контактирования........... 90

2.9. Методика испытаний на разрушение................. 96

2.10. Влияние микрорельефа на натяг и площадь опорной поверхности........................................... 100

2.11. Экспериментальное исследование влияния шероховатости на площадь опорной поверхности.................. 108

2.12. Результаты эксперимента и их обсуждение......... 111

2.13. Условие надежности ННС.......................... 140

2.14. Проверка влияния погрешностей формы сопряженных

деталей на прочность соединения....................... 145

Выводы............................................... 151

3. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА УПРУГОПЛАСТИЧЕСКОГО ДЕФОРМИРОВАНИЯ ННС........................................ 155

3.1. Описание процесса упругопластического деформирования охватываемого элемента........................ 156

3.2. Уравнение энергии процесса деформирования........ 163

3.3. Уравнение энергии при относительном движении источника деформаций (инструмента) и деформируемого элемента.............................................. 166

3.4. Постановка задачи деформирования................. 170

3.5. Поле перемещений наружной поверхности охватываемого элемента цилиндрического соединения малого диаметра... 172

3.6. Поле перемещений наружной поверхности охватываемого элемента цилиндрического соединения большего диаметра. 187 Вывода................................................ 196

4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЧНОСТИ ПРОФИЛЬНЫХ НЕПОДВИЖНЫХ НЕРАЗЪЕМНЫХ СОЕДИНЕНИЙ........................ 197

4.1. Напряженно-деформированное состояние цилиндрического кольца при внутреннем последовательном нагружении............................................ 200

4.2. Упругопластические деформации цилиндрического кольца при внутреннем последовательном нагружении..... 207

4.3. Упругопластические деформации втулки профильного неподвижного соединения при сборке дорнованием........ 214

4.4. Остаточные деформации деталей профильного неподвижного соединения при сборке дорнованием........ 223

4.5. Формирование профиля на внешней поверхности втулки неподвижного соединения методом дорнования........... 228

4.6. Влияние физико-механических свойств и геометрических параметров элементов соединения на площадь

опорной поверхности................................. 233

Выводы................................................ 251

5. МЕТОДОЛОГИЯ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ ПРОЧНОСТИ ПРОФИЛЬНЫХ И ДРУТЖ НЕПОДВИЖНЫХ СОЕДИНЕНИЙ ПО КОСВЕННЫМ ПРИЗНАКАМ____252

5.1. Аналитический обзор существующих методов контроля неподвижных неразъемных соединений.................... 254

5.2. Теоретические основы неразрушакщего способа

контроля.............................................. 260

Выводы................................................ 274

5.3. Анализ погрешностей формы отверстия.......................274

ЗАКЛЮЧЕНИЕ......................

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ ПРИЛОЖЕНИЯ......................

283 287 307

Приложение 1.......................................... 308

Таблица П.1.1. Отклонения формы отверстия поршневой

головки прицепных шатунов (до сборки)................. 308

Таблица П.1.2. Отклонения формы отверстия втулки поршневой головки прицепного шатуна (после сборки).... 313

Приложение 2.......................................... 318

Таблица П.2.1. Отклонения формы отверстия поршневой

головки главных шатунов............................... 318

Таблица П.2.2. Отклонения формы отверстия втулки

поршневой головки главного шатуна (после сборки)...... 321

Приложение 3. Круглограммы и профилограммы поверхности

отверстий поршневых головок прицепных шатунов ........ 322

Приложение 4. Круглограммы и профилограммы отверстий втулок, запрессованных в поршневые головки прицепных

шатунов............................................... 327

Приложение 5.......................................... 332

Таблица П.5.1. Толщины запрессованных втулок по сбчоьвхЕ^зъд т •••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 332

Приложение б. Методика ультразвукового контроля

соединения поршневой головки шатуна с втулкой......... 334

Приложение 7. Разработка и внедрение конструкций

профильного неподвижного соединения с упорядоченным и стохастическим макрорельефом поверхности одного из сопрягаемых элементов, методов и средств неразрушаоцего

контроля............................................. 343

Приложение 7.1. Определение длительной прочности соединения из составных осесимметричных оболочек................................................... 350

Приложение 7.2. Экспериментальные исследования прочности профильного ННС............................ 381

Приложение 7.3. Разработка и испытание устройств для

контроля ПНС.......................................... 392

Приложение 7.3.1 Описание конструкции разработанного

устройства............................................ 396

Приложение 7.3.2. Настройка и испытание прибора при

работе в режиме моделирования......................... 405

Приложение 7.3.3. Оценка точности измерений и

устойчивости работы................................... 409

Приложение 7.3.4. Испытание и внедрение устройства ... 411 Приложение 7.4. Обоснование выбранного направления исследований неразрушагацего контроля прочности ННС -

поршневой головки шатуна.............................. 416

Приложение 7.4.1. ^\нализ результатов исследования

погрешностей формы.................................... 418

Приложение 7.5. Расчет натягов в моделях неподвижных

неразъемных соединений................................ 425

Приложение 7.6. Анализ результатов исследований по неразрушаицему контролю реальных образцов соединений с гарантированным натягом. Выводы..................... 427

ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

Ак - функционал от инварианта тензора деформаций;

а - контактные деформации (сближения);

I - расчетный натяг;

д$п - контактные давления;

~ функция влияния, равная перемещению точки _7 под действием единичной нормальной силы;

Дг ~ коэффициенты податливости охватывающей и охватываемой деталей;

Е - модуль упругости; V - коэффициент Пуассона; Еа, Кг - параметры шероховатости; Цпзх - параметр макроотклонений; Ш2 - волнистость;

&]? £2 - относительные деформации 1-го и 2-го колец; <%/■ ~ окружные напряжения 1-го и 2-го колец;

- площадка контакта; 5ф - фактическая площадь касания; £>н - номинальная площадь касания;

К±(С,$ - функция влияния, показывающая перемещение точки С в направлении оси у под действием нормальной единичной силы, приложенной в сечении х =

и - радиальное перемещение точек элементов соединения; <т2, стг, 01 - осевые, радиальные и окружные напряжения; <т0 - среднее нормальное напряжение; Б2 и Б2 - главные компоненты девиатора напряжений; Л - постоянная Планка;

[л - коэффициент трения;

т - сдвиговое сопротивление;

р - радиус единичного пятна касания;

- контактная электрическая проводимость; Я - единичный вектор внешней нормали к поверхности площадью Г;

4 - вектор плотности контактного давления; Р - вектор внешних сил;

Р„ - вектор поверхностных сил на площадке с нормалью л; д» - мощность внутренних сил; V" - модуль скорости;

Ф - диссипативная функция, связанная с выделением теплоты;

х, у, г, (р, у/ - координаты точек в прямоугольной, цилиндрической и сферической системах координат;

Дг, А(р, Дг, Ат - шаги интегрирования функций;

Егр - сила трения;

кт - коэффициент трансформации;

Т - тензор напряжений;

Т - тензор деформаций;

tp - относительная опорная длина;

Кзп - коэффициент заполнения профиля.

ВВЕДЕНИЕ

Интенсификация хозяйственной деятельности выдвигает новые требования к технике, режимы эксплуатации которой все более усложняются.

Современная техника требует решения ряда задач повышения прочности и работоспособности деталей машин и конструкций, в том числе неподвижных соединений, при одновременном снижении материалоемкости. Совместное решение этих задач требует более тщательного анализа влияния геометрических факторов, физико-механических свойств материалов сопрягаемых деталей при различных условиях сборки. Экономическое и социальное развитие нашей страны требует совершенствования конструкций проектируемой и эксплуатируемой техники, повышения производительности ее изготовления.

Несмотря на значительные результаты, достигнутые как в изучении природы перемещений и деформаций в контакте твердых тел, так и в расчетах соединений разнообразных форм, ряд задач, имекздих большую практическую ценность, остаются нерешенными.

Теоретические и прикладные исследования в области повышения эксплуатационной надежности неподвижных соединений - разъемных и неразъемных (прессовых, резьбовых, профильных, заклепочных и др.), выполненные в последние десятилетия, выявили перспективные пути решения этой проблемы. Одним из таких путей является разработка методов увеличения площади опорной поверхности сопрягаемых деталей соединения, методов расчета напряженно-деформированного состояния соединений с упругопластиче-ским деформированием одного из сопрягаемых элементов при заданных микро- и макродискретностях рельефа поверхности другого элемента.

В диссертации представлены результаты исследований в области разработки способов определения и увеличения площади опорной поверхности, методов расчета соединений, испытывающих переменное воздействие внешних сил. В качестве объектов исследования выбраны цилиндрические соединения, пластичность охватываемых элементов которых значительно больше пластичности охватывающих элементов.

На практике большинство профильных соединений применяются подвижными, и незначительная часть (замковые соединения) - неподвижными . Большинство неподвижных соединений - соединений с натягом представляют собой напряженные посадки цилиндрической, конической, а иногда эллиптической формы. Одной из причин ограниченного применения неподвижных соединений в качестве подшипников скольжения является недостаточная прочность соединений деталей, изготовленных из материалов с различными физико-механическими свойствами.

Исследования, проводимые отечественными учеными: Шнейде-ром Ю.Г. [178,179], Ильяшенко A.A. [28,29], Максаком В.И. [75,76, 77], Корсаковьм B.C. [58,59] и их учениками, в области обеспечения необходимой прочности неподвижных соединений, позволили определить направления дальнейших исследований в этой области. Работы по повышению прочности, надежности и долговечности неподвижных соединений имеют большое народно-хозяйственное значение.

Цель данной работы заключается в разработке теоретических основ обеспечения прочности профильных неподвижных соединений и в создании на их основе методик расчета неподвижных соединений с деформируемыми охватываемыми элементами.

Выполненные в работе исследования основывались на научных положениях теории деформаций и напряжений, устанавливающих связь между геометрическими соотношениями микро- и макрорелье-

фа поверхности и площадью опорной поверхности с учетом физико-механических свойств материала, характера нагружения и совместности перемещений на участке контактирующей поверхности и за его пределами.

В связи с этим решались следующие задачи.

1. Изучение известных и создание эффективных методов определения площади опорной поверхности (фактической площади контакта) .

2. Разработка способов увеличения площади опорной поверхности сопрягаемых элементов неподвижного соединения и повышение прочности соединения за счет создания упорядоченного рельефа поверхности сопряжения одного из элементов соединения.

3. Разработка методов расчета напряженно-деформированного состояния профильного неподвижного соединения при условии переменного воздействия внешних сил с учетом податливости и совместности перемещений на участке контактирукхцей поверхности и за его пределами.

4. Разработка и внедрение конструкции профильного неподвижного соединения с упорядоченным рельефом поверхности одного из сопрягаемых элементов.

5. Разработка и внедрение методов неразрушаицего контроля прочности профильных и "гладких" неподвижных соединений.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Совершенствование теоретических основ контактного взаимодействия элементов неподвижного соединения с упорядоченным и стохастическим рельефом сопрягаемых поверхностей.

2. Описание влияния основных конструктивных и технологических факторов на прочность и несущую способность соединения, поверхность одного из элементов которого имеет заданный упорядоченный рельеф, отображающийся на поверхности сопряжения элемента, подвергаемого упругопластическому деформированию.

3. Предложена математическая модель преобразования поверхности сопряжения, при котором каждая точка поверхности деформируемого элемента смещается по нормали к поверхности на расстояние ограниченное профилем опорной поверхности с учетом ее податливости в процессе деформирования элементов соединения.

4. Предложена методика проектирования профильных неподвижных соединений с минимальной толщиной сечения одного из элементов, эквивалентных по сопротивлению внешней нагрузке соединениям с "гладкими" поверхностями сопряжения, толщина сечения одного из элементов которых многократно превышает толщину сечения элементов профильных соединений с упорядоченным рельефом поверхности.

5. Разработан способ определения величин перемещений участков поверхностей сопряжения и участков поверхностей, определяющих форму соединения, удаленных от индентора нагружения на расстояние, многократно превышающее толщину сечения элемента соединения.

6. Предложен метод неразрушающего контроля прочности профильных и цилиндрических неподвижных соединений по косвенным признакам, изменяющимся по величине под действием внешней нагрузки и других факторов.

Практическая ценность работы заключается в широком применении способов создания профильных неподвижных соединений высокопроизводительными экологически безопасными технологиями. Незначительные конструктивные особенности соединений позволяют уменьшить материалоемкость деталей и соответственно затраты на материалы.

При разработке технологических процессов изготовления элементов соединения появляется возможность исключить дорогостоящие финишные операции, а совмещение операций механической об-

работки поверхностей и сборки деталей позволяет осуществить замену материалоемких и трудоемких соединений с натягом профильными неподвижными соединениями. Разработанный неразрушаю-щий контроль позволяет определить состояние соединения как в процессе изготовления, так и в процессе эксплуатации, а также прогнозировать уровень работоспособности узла на ближайший период эксплуатации.

Разработанный и внедренный комплекс мероприятий в условиях изготовления и ремонта авиационных двигателей, гусеничных и других машин, замена дорогостоящих подшипников качения на подшипники скольжения с профильными опорными поверхностями охватывающего элемента, внедрение неразрушающих методов контроля неподвижных соединений позволили получить достаточно большой технико-экономический эффект, заключающийся в повышении прочности и надежности соединений, и уменьшении затрат на материалы и изготовление сборочных единиц. Результаты исследований внедрены на ОМПО им. П.И. Баранова, Смском заводе транспортного машиностроения, Свердловском авиаремонтном заводе, Челябинском тракторном заводе.

Научные разработки диссертации внедрены в учебном процессе и используютс�