СОДЕРЖАНИЕ
Перечень рисунков Перечень таблиц Основные обозначения Основные термины ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА 1. Анализ современного состояния теории и практики прессовых полисоединсний
1.1 .Нагрузочная способность и напряженно-деформированное состояние прессовых пол и соединений
1.1.1. Нагрузочная способность
1.1.2. Напряженно-деформированное состояние
1.2.Способы повышения нагрузочной способности полисоединений
1.2.1. Конструкторские способы повышения нагрузочной способности полисоединсний
1.2.2. Технологические способы повышения нагрузочной способности полисоединений
1.3.Классификация преимуществ прессовых полисоединений
1.3.1. Повышение ремонтопригодности изделий
1.3.2. Экономия материалов
1.3.3. Защита от неблагоприятных факторов
1.3.4. Повышение эксплуатационных характеристик
1.4.Варианты конструкций полисоединсний
1.5.Выводы и постановка задач исследования
ГЛАВА 2. Исследование напряженно-деформированного состояния прессовых полисоединений и развитие методики их расчета
2.1. Расчет напряженно-деформированного состояния полисоединсний на основе аналитических зависимостей
2.2. Расчет напряженно-деформированного состояния полисоединений на основе метода конечных элементов
2.3. Теоретическое исследование напряженно-деформированного состояния прессовых полисоединений
Выводы
ГЛАВА 3. Экспериментальное исследование нагрузочной способности прессовых полисоединений 72
3.1. Методика проведения экспериментального исследования 73
3.1.1. К выбору геометрии деталей и физико-механических характеристик деталей 73
3.1.2. К выбору варьируемых факторов 75
3.1.3. Формирование матрицы планирования эксперимента 79
3.2. Подготовка и выполнение натурного эксперимента 81
3.3. Обработка результатов эксперимента 87
3.3.1. Нагрузочная способность полисоединений со сплошной промежуточной втулкой 87
3.3.2. Нагрузочная способность полисоединений с разрезной промежуточной втулкой 95
Выводы 99
ГЛАВА 4. Практическая апробация результатов работы 100
4.1. Математическая модель процесса сборки-разборки прессового
полисоединеиия 100
4.2. Расчет токоизолирующего соединения трубопровода по
разработанной методике расчета полисоединений 105
4.3. Практические рекомендации но выбору конструктивных
параметров прессовых полисоединений 108
4.3.1. Математическая постановка задач оптимизации формы ППС 109
4.3.2. Рекомендации но выбору натягов в посадках 111
4.3.3. Рекомендации но назначению форм деталей 114
Выводы 117
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ 119
Библиографический список 121
ПРИЛОЖЕНИЯ
Приложение 1. Измерение шероховатостей и профилограммы образцов
Приложение 2. Пример диаграммы запрессовки-распрсссовки прессового полисоединения
Приложение 3. Акт о промышленном внедрении результатов работы
4
ПЕРЕЧЕНЬ РИСУНКОВ
Стр.
Рис. 1.1. Схема многоконтактного соединения с промежуточной втулкой (полисоединения). 15
Рис. 1.2. Сборка полисоединения (посадка подшипника на промежуточной втулке, при помощи гидрогайки) 25
Рис. 1.3. Установка подшипника через промежуточную закрепительную втулку 28
Рис. 1.4. Посадки конусной дробилки 30
Рис. 1.5. Использование промежуточной конической втулки в элементах промышленной трансмиссии 31
Рис. 1.6. Пример сборки удлинителя муфт с промежуточными втулками 32
Рис. 1.7. Варианты конструкций полисоединений 36
Рис. 2.1. . Схема алгоритма расчета прессового полисоединения на основе аналитических зависимостей 46
Рис. 2.2. Конечно-элементная модель прессового полисоединения 49 Рис. 2.3. Схема алгоритма расчета ППС методом конечных элементов 57
Рис. 2.4. Эпюры радиальных и окружных давлений в ППС с 58
изменяемыми диаметрами посадок (натяги в посадках равны !4Х = Мг)
Рис. 2.5. Эпюры радиальных и окружных давлений в ППС с 58
изменяемыми натягами посадок
(соотношение диаметров деталей фн: (11п :</,„= 1:0,67:0,33,)
Рис. 2.6. Эскиз полисоединения для расчета 61
Рис. 2.7. Объёмная конечно-элементная модель полисоединения 61
Рис. 2.8. Диаграммы средних напряэ/сений в деталях полисоединения со сплошной втулкой в поперечном сечении, МПа. 62
Рис. 2.9. Эпюры напряэ/сений в деталях полисоединения со сплошной втулкой в продольном сечении, Па. Конечно-элементный расчет. 66
Рис. 2.10. Эпюра контактных давлений в полисоединении, Па 64
Рис. 2.11. Диаграммы напряэ/сений в деталях полисоединения с разрезной втулкой в поперечном сечении, МПа. 66
Рис. 2.12. Эпюры напряэ/сений в деталях полисоединения с разрезной 67 втулкой в продольном сечении, Па. Конечно-элементный расчет.
Рис. 2.13. Эпюра контактных давлений в полисоединении с разрезной втулкой, Па 67
Рис. 3.1. Эскизы образцов деталей полисоединения 77
Рис. 3.2. Комплект деталей полисоединения для экспериментального исследования 81
5
Рис. 3.3. Универсальный инструментальный микроскоп У ИМ-21 для измерения геометрии образцов
Рис. 3.4. Схема измерения контрольных точек образцов Рис. 3.5. Экспериментальное оборудование
Рис. 3.6. Контактные давления в полисоединении со сплошной втулкой
Рис. 3.7. Зависимость контактных давлений полисоединения со
сплошной втулкой от факторов эксперимента
Рис. 3.8. Поверхности откликов для полисоединения со сплошной
втулкой
Рис. 3.9. Контактные давления в полисоединении с разрезной втулкой
Рис. 3.10. Зависимость контактных давлений полисоединения с
разрезной втулкой от факторов эксперимента
Рис. 3.11. Поверхность откликов для полисоедипепия с разрезной
втулкой
Рис. 4.1. Эпюры эквивалентных напряжений в деталях полисоединения на различных этапах технологического процесса Рис. 4.2. Эпюры контактных давлений в посадочных зонах полисоединения на различных этапах технологического процесса Рис. 4.3. Диаграммы процесса сборки-разборки прессового полисоединения
Рис. 4.4. Эскиз токоизолирующего соединения
Рис. 4.5. Конечно-элементная модель токоизолирующего соединения Рис. 4.6. Пример расчета напряжений (Па) в соединении при давлении в системе 26 атм.
Рис. 4.7. Токоизолирующее соединение трубопровода ТИС 150 Рис. 4.8. Распределение контактных давлений в полисоединении Рис. 4.9. Влияние наклона конусности посадки 2 на контактные давления в ППС
Рис. 4.10. Влияние формы фаски втулки на контактные давления в ППС
Рис. 4.11. Влияние формы ступицы на контактные давления в ППС Рис. 4.12. Влияние формы вала на контактные давления в ППС
83
83
85
89
94
96
98
98
102
103
104
105
106
107
107
115
115
115
116 116
6
ПЕРЕЧЕНЬ ТАБЛИЦ
Стр.
Таблица 2.1. Исходные данные для моделирования прессового полисоединения 61
Таблица 2.2. Средние значения контактных давлений рк в посадках полисоединения 69
Таблица 3.1. Основные физико-механические характеристики деталей полисоединения 75
Таблица 3.2. Уровни факторов в исследовании полисоединения со сплошной втулкой 78
Таблица 3.3. Уровни факторов в исследовании полисоединения с разрезной втулкой 78
Таблица 3.4. Матрица планирования дробного факторного эксперимента в исследовании полисоединения со сплошной втулкой 80 Таблица 3.5. Матрица планирования полного факторного эксперимента в исследовании полисоединения с разрезной втулкой 80
Таблица 3.6. Максимальные усилия запрессовки-распрессовки в полисоединении со сплошной промежуточной втулкой (средние значения) 88 Таблица 3.7. Контактные давления в посадке вала и сплошной промежуточной втулки 88
Таблица 3.8. Коэффициенты уравнений регрессии ППС со сплошной втулкой 90
Таблица 3.9. Максимальные усилия запрессовки-распрессовки в полисоединении с разрезной втулкой 95
Таблица 3.10. Контактные давления в посадке вала и разрезной промежуточной втулки 96
Таблица 3.11. Коэффициенты уравнений регрессии ППС с разрезной втулкой 96
Таблица 4.1. Значения соотношений натягов (/У2//У,)л ^ в посадках
полисоединения., обеспечивающих условие равнопрочности на сопротивление осевому сдвигу
Таблица 4.2. Зависимость поправочного коэффициентов у, от /,/Д 113
ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ
Обозначение Определение Ед. измерения, по умолчанию
Л 3,14159265 Н
М\>М2,Мэ коэффициенты Пуассона материалов деталей [-]
е19е29е3 нормальные модули упругости (Юнга) деталей [МПа]
^]в>^2в>^Зв внутренние диаметры деталей полисоединения [мм]
^\н^2н,^Ън наружные диаметры деталей полисоединения [мм]
0\902 диаметры посадок для сопрягаемых поверхностей в полисоединении [мм]
N^N2 натяги в зонах посадок деталей полисоединения [мм]
Р\,Р2 контактные радиальные давления в зонах посадок [МПа]
МыМт изменение внутреннего или наружного диаметра детали полисоединения с индексом 1 [мм]
/|,12, /3 длины деталей полисосдинения [мм]
а угол наклона поверхности конической посадки [град]
Р* усилие запрессовки [Н]
Р<1Ь усилие распрессовки [Н]
Г ' тр коэффициент трения в зоне посадки [-]
и линейные перемещения деталей полисоединения [мм]
6 механические деформации деталей полисоединения [-]
СГ механические напряжения деталей полисоединения [МПа]
ОСНОВНЫЕ ТЕРМИНЫ
8
Многоконтактное соединение с натягом — соединение с натягом трех и более деталей, как в радиальном, гак и в осевом направлениях.
Полисоединение - соединение с натягом трех деталей в радиальном направлении.
Соединение с натягом, посадка с натягом — сборка деталей типа вал и отверстие с гарантированным натягом, где наибольший предельный размер отверстия меньше наименьшего предельного размера вала или равен ему
Сворка - технологическая операция по формированию соединения с натягом.
Посадка - характер соединения деталей, определяемый величиной получающихся в нем зазоров или натягов.
Натяг - разность размеров охватывающей и охватываемой поверхностей деталей, полученная по результатам из измерений до сборки.
Прессовое соединение/полисоединение — посадка с натягом, полученная путем механической (продольной или импульсной) запрессовки.
Сопрягаемые поверхности (контактные поверхности, зоны посадки, зоны запрессовки) - поверхности, по которым происходит соединение деталей.
Охватываемая поверхность - сопрягаемая наружная поверхность детали.
Охватывающая поверхность - сопрягаемая внутренняя поверхность детали.
Охватываемая деталь - деталь в соединении, имеющая только
охватываемую поверхность, находящуюся в контакте.
Охватывающая деталь - деталь в соединении, имеющая только,
охватывающую поверхность, находящуюся в контакте.
Промежуточная деталь - деталь в соединении, имеющая и охватываемую и охватывающую поверхности, находящиеся в контакте с другими деталями.
Внутренняя посадка - зона посадки промежуточной детали (втулки) и охватываемой детали (вала).
Наружная посадка - зона посадки промежуточной детали (втулки) и охватывающей детали (ступицы).
Напряженно-деформированное состояние — для соединений с натягом определяет поля распределения механических перемещений, деформаций и напряжений в деталях, и соответственно прогнозирует образования областей концентрации напряжений и критических перемещений.
Нагрузочная способность - для соединений с натягом определяется силами сцепления контактирующих деталей и определяет максимальные нагрузки воздействия.
ВВЕДЕНИЕ
9
В современных условиях становится актуальной политика модернизации промышленности с целью создания новых поколений машин, технологий и материалов, обладающих качественно новыми функциональными свойствами, и совершенствования существующих машин и технологий, обладающих повышенными эффективностью, надежностью, эксплуатационными характеристиками и меньшей ресурсоемкостью. В конструкциях современных машин и механизмов широкое применение получили соединения с гарантированным натягом, благодаря возможности восприятия и передачи произвольно направленных высоких по величине нагрузок.
Особый класс соединений с гарантированным натягом составляют многоконтактные прессовые полисоединения (ППС), имеющие минимум три детали в контакте. Такой тип соединений может иметь широкое распространение в машиностроении благодаря ряду особенностей. К ним относятся: упрощенный монтаж-демонтаж; экономия дорогостоящих
материалов; использование промежуточных деталей в качестве уплотнителей, элементов уберегающих главные детали конструкции от неравномерного распределения давлений, коррозии и других неблагоприятных факторов.
Применение прессовых полисоединеиий значительно повышает ремонтопригодность сложных конструкций посадок с натягом, и зачастую является наиболее рациональным и надежным конструктивным решением для передачи осевых сил и крутящих моментов в узлах различных машин и механизмов. Однако широкому применению прессовых полисоединений препятствуют отсутствие результатов исследования и методик расчета их напряженно-деформированного состояния (НДС) и нагрузочной способности (НС). Исследование и разработка методики расчета полисоединений позволят создавать эффективные методы проектирования новых и совершенствования
10
существующих машин и аппаратуры с конструкциями полисоединений, ведущих к получению технического и экономического эффекта.
Представляется перспективным применение конических посадок и разрезных втулок с целью упрощения разборки и замены изношенных элементов. Возможность регулирования натяга создает предпосылки для более точных расчетов возникающих давлений и напряжений в соединяемых деталях.
Теоретическое исследование обычных соединений с натягом при упругих деформациях было проведено Лямэ более ста пятидесяти лет назад. В этой же области имеются и более поздние работы академика A.B. Гадолина. Широкомасштабные и систематические исследования соединений с натягом начались с середины 50-х годов ХХ-го века. Вопросы технологии прессовых соединений рассмотрены в работах отечественных и зарубежных ученых Б.Ф. Федорова, И.В. Абрамова, И.С. Гречищева, A.A. Ильяшенко, Г.Я. Андреева, A.B. Щенятского, Б. Парсонса, X. Мюллера и других.
Вопросам повышения нагрузочной способности (НС) и исследования прочности соединений с натягом посвящены работы JI.T. Балацкого, B.C. Клековкина, Ю.В. Турыгина, Н.С. Беляева, Н.К. Баранова, Б.Ф. Бежелуковой, Г.А. Бобровникова и других.
В настоящее время, на территории бывшего СССР, исследования по тематике прессовых соединений наиболее активно ведутся в технических университетах Ижевска, Омска, Барнаула, Харькова, Киева. За последние 30 лет, коллективом ученых Ижевского государственного технического университета под руководством профессора И.В. Абрамова исследованы вопросы технологии, повышения прочности и нагрузочной способности, математического моделирования, и разработаны методики расчета автофретированпых, гидропрессовых, многослойных соединений с натягом.
Анализ отечественных и зарубежных научных работ указывает на отсутствие обобщенной теории и методик расчета НДС и нагрузочной способности прессовых полисоединений. Практика расчетов полисоединений свидетельствует об использовании конструкторами и технологами
11
предприятий различных методик для обычных соединений с натягом, не учитывающих особенностей многоконтактных конструкций.
Отличительной особенностью ППС является распределение контактных давлений вследствие взаимного влияния нескольких контактных зон в конструкции соединения. Учет перераспределения величин контактных давлений в зонах посадок деталей позволяет определять зоны концентрации напряжений в сопряженных деталях и оптимизировать нагрузочную способность соединений. На прочность полисоединений влияет большое количество факторов. Наиболее значимым из них видится ряд конструктивных параметров, исследуемых в рамках диссертации.
Несмотря на широкое распространение прессовых полисосдинений в конструкциях машин и механизмов, применение методик расчета, конструктивных и технологических параметров, моделей оценки напряженного состояния и прочности носит эмпирический характер. Используемые подходы к проектированию, изготовлению и эксплуатации полисоединений могут приводить к недостаткам в плане надежности, безопасности и стабильности работы машин.
Целью диссертационной работы является исследование напряженно-деформированного состояния и соответствующей ему нагрузочной способности, позволяющей повышать прочность, эффективность и надежность машин с конструкциями полисоединений, что имеет существенное значение для рассматриваемой области знаний. Означенная цель предполагает проведение теоретического и экспериментального исследования прессовых полисоединений в зависимости от конструктивных параметров. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
• Исследовать напряженно-деформированное состояние в деталях и посадках конструкций ППС в зависимости от изменения конструктивных параметров;
12
• Разработать методику расчета полисоединений со сплошной и с разрезной втулкой на основе решения задачи многосвязного контакта и оценить се эффективность относительно существующих подходов к расчету НДС и прочности многоконтактных соединений;
• В рамках натурного эксперимента выполнить проверку выдвинутых в ходе исследования напряженно-деформированного состояния и нагрузочной способности предположений;
• Сформулировать рекомендации по проектированию прессовых полисоединений с оптимальными характеристиками напряженно-деформированного состояния.
Научная проблема диссертационной работы состоит в исследовании напряженно-деформированного состоянии и нагрузочной способности прессового полисоединения на основе разработанной методики расчета.
Необходимо проведение теоретических исследований И ' вычислительных экспериментов для осесимметричных и объемных многосвязных контактных задач механики деформируемого твердого тела при упругом состоянии материалов деталей полисоединения. Решение задач базируется на известных теоретических положениях механики твердого деформируемого твердого тела, конструкционной прочности, теории малых упруго-пластических деформаций, корректного применения метода конечных элементов (МКЭ). Экспериментальное исследование проводится на гидравлическом прессе с измерительной аппаратурой. На всех этапах вычислительного и натурного эксперимента используются методы математического планирования эксперимента и обработки его результатов.
Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, библиографического списка из 123 наименований, содержит 131 страницу машинописного текста, 43 иллюстрации, 15 таблиц, 3 приложения.
В первой главе проведен анализ уровня теории и прикладных исследований соединений с натягом и полисоединений, их типов, конструкций и технологии.
- Київ+380960830922