Вплив конструктивних і технологічних параметрів на міцність з'єднань деталей веретена кільцепрядильної машини

ВПЛИВ КОНСТРУКТИВНИХ І ТЕХНОЛОГІЧНИХ ПАРАМЕТРІВ НА МІЦНІСТЬ З'ЄДНАНЬ ДЕТАЛЕЙ ВЕРЕТЕНА КІЛЬЦЕПРЯДИЛЬНОЇ МАШИНИ

Спеціальність 05.02.02 - Машинознавство

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

У вступі обгрунтована актуальність теми роботи, дана коротка характеристика стану проблеми, поставлені мета і задачі, сформульовані наукова новизна і практична цінність отриманих результатів досліджень. Сформульовано основні положення, розглянуті в дисертаційній роботі, та найбільш важливі результати, що виносяться на захист.

У першому розділі проведено аналіз науково-технічної літератури та інформації в мережі “Internet” за допомогою інформаційно-пошукових систем “Rambler” та “Yahoo”, який дозволив критично оцінити переваги і недоліки існуючих конструкцій веретен кільцепрядильної машини, установити основні експлуатаційні та технологічні вимоги до них, узагальнити та систематизувати досвід проектування та виготовлення веретена з урахуванням сучасних високошвидкісних режимів його роботи.

Показано взаємозв'язок конструктивних і технологічних параметрів веретена з його експлуатаційними показниками: міцністю та точністю з'єднання деталей, їх інерційністю та сбалансованістю конструкції. Встановлено, що існуючі технологічні способи виготовлення веретена в значній мірі впливають на ці показники і в деяких випадках не забезпечують необхідну міцність і точність взаємного розташування деталей. У той же час відомо, що використання термічних методів при складанні подібних до веретена багатоелементних виробів із посадочним діаметром до 10 мм дозволяє забезпечити значне підвищення характеристик міцності веретена в порівнянні з запресовуванням. Але використанню комбінованих термічних методів при виготовленні веретена перешкоджає відсутність чітких і обгрунтованих рекомендацій, пов'язаних з оцінкою якісних параметрів виробів. Очевидно, що проведення досліджень у цій області з метою уточнення впливу конструктивних і технологічних чинників на міцність і надійність з'єднань деталей веретена, а також уточнення фізики процесів, що відбуваються в зоні контакту деталей, безсумнівно, є актуальним і своєчасним.

Все перераховане вище дозволило сформулювати мету та задачі досліджень, розв'язання яких дозволить більш обгрунтовано виконувати розрахунок і вибір конструктивно-технологічних параметрів багатоелементних циліндричних з'єднань із натягом, що забезпечують підвищені експлуатаційні характеристики, і розробити рекомендації для використання комбінованого термічного методу при складанні сучасних високошвидкісних веретен кільцепрядильних машин.

У другому розділі поставлена та вирішена задача розрахунку фактичної площі контакту деталей веретена, при термічних методах їх складання. Задача подана в загальному виді та розглядається відповідно до рішення Ляме на базі “сферичної” моделі шорсткості. Для розрахунку використані дані про розміри деталей, початковий натяг , параметри шорсткості (Rmax ) контактуючих поверхонь, пружні константи матеріалів, а також дані про пластичну твердість H матеріалу деталей. В результаті відповідних попередніх розрахунків була отримана залежність для визначення фактичної площі контакту Sф:

(1)

де: d - діаметр сполучення; н і w - параметри опорної кривої; K- коефіцієнт силової подібності; а - розмір зближення деталей; ао - залишкова частина зближення в контакті; ау - пружна частина зближення в контакті, Sн номінальна площа контакту; с- коєффіцієнт питомої темлоємності менш твердого з матеріалів деталей.

Запропонована залежність дозволяє, враховуючи конструктивні та технологічні фактори, знайти фактичну площу контакту деталей, яка надалі використовується при розрахунках міцності циліндричних з'єднань із натягом деталей із різними фізико-механічними властивостями.

У розділі подана методика досліджень теплового і напружено-деформованого стану багатоелементного циліндричного з'єднання, сформованого комбінованим термічним способом. В основу методики покладена чисельна реалізація методу кінцевих елементів. На рис.1 наведена розрахункова схема системи взаємодіючих пружних тіл обертання, на які діє нерівномірне нагрівання.

Схема максимально наближена до реальної конструкції з'єднання деталей веретена типу ВНТ-28-14 і враховує складність конструктивних форм з'єднання, характер навантаження та взаємодії з навколишнім середовищем.

При розрахунку передбачалося, що в момент скріплення деталей шпіндель 1, охолоджений до температури -142С, блочок 2 і насадка 3 нагріті відповідно до температур 173 і 92С. При цьому задавалися наступні кінематичні граничні умови: правий торець шпінделя вважався закріпленим від осьових зсувів, на ділянках АВ і CD задавався натяг 2 = 25 мкм, на ділянці MN сполучення блочка і насадки задавалися граничні умови контактування поверхонь без тертя (fтр = 0), між лівим торцем шпінделя та насадкою передбачався зазор = 0.1 мм.

Дослідження напружено-деформованого стану з'єднання здійснювалися з використанням основних положень теорії термопружності. На першому етапі для обраних моментів часу визначалися нестаціонарні температурні поля в умовах конвективного теплообміну зовнішніх поверхонь з'єднання з навколишнім середовищем. З'єднання шпіндель-насадка має більш низьку температуру, ніж з'єднання шпіндель-блочок, що зумовлено більш високою початковою температурою блочка в момент скріплення деталей. В процесі теплообміну та формування натягу в з'єднаннях веретена виникають температурні деформації, радіальні, осьові та тангенціальні напруги, характер котрих необхідно встановити.

На другому етапі при заданих кінематичних граничних умовах визначався термонапружений стан з'єднання від дії розрахункових температурних полів. На основі розрахункових даних побудовані графічні залежності, що дозволяють визначати контактні тиски та їхній розподіл у з'єднанні для найбільш характерних (із погляду температурного стану) моментів часу. Отримані аналітичні залежності дозволяють обгрунтовано підходити до вирішення питань, пов'язаних із міцністю та точністю з'єднань при комбінованому складанні.

У роботі отримані залежності величини осьових переміщень торцевих поверхонь блочка і насадки від конструктивних і технологічних параметрів з'єднання.

Для розрахунку торцевого зазору прийнята така залежність:

(2)

де: d - діаметр сполучення, d1 - діаметр втулки, - величина натягу в з'єднанні, - коефіцієнт Пуассона; h - довжина сполучення деталей.

У роботі запропоновані конструктивні та технологічні рішення, що дозволяють максимально зменшити термічні осьові деформації і тим самим підвищити експлуатаційні характеристики веретена. Їх суть зводиться до використання проміжних прошарків (гальванічних та клейових покриттів), які наносяться на ділянках А та В (рис.2) зони контакту деталей. В результаті цього на кінцях контактуючих поверхонь натяг і, відповідно, контактний тиск зменшуються, що призводить до зниження напруженого стану охоплюючих деталей і зменшення величини осьових переміщень їх торцьових поверхонь при незмінній міцності з'єднання.

У третьому розділі проведені експериментальні дослідження фактичної площі контакту з'єднань при термічних методах складання. Для аналізу впливу різних факторів на фактичну площу контакту Sф у з'єднанні були виконані дослідження, які включають складання двох партій спеціально підготовлених з'єднань типу “вал-втулка” з різним натягом. Вали виготовляли з латуні Л62, а втулки - із сталі 45, поверхню валу полірували, а контактну поверхню втулки - розточували. Перед складанням на поліровану зовнішню поверхню валу напиляли тонку вугільну плівку. Після охолодження зібраного з'єднання до кімнатної температури втулку розрізали уздовж на дві рівні частини, знімали з валу, а поверхню валу фотографували через мікроскоп УІМ-21 і визначали площу контакту шляхом планіметрування збільшеного зображення. При цьому вимірювали площу SR проекції фактичної площі контакту Sф та розраховували відносну площу контакту Sо. Аналіз показав, що значення відносної площі контакту Sо, отримані розрахунковим і дослідним шляхами, мають розбіжності в межах 20-25%, що для інженерних розрахунків вважається задовільним.

Встановлено, що збільшення діаметра сполучення та твердості матеріалу деталей призводить до зменшення величини відносної фактичної площі контакту Sо. Дослідження впливу шорсткості, що характеризується комплексом параметрів R, Rmax, н і w, які приймалися для поверхонь, що оброблені точінням, показали, що величина SR практично лінійно залежить від початкового натягу і при збільшенні радіусів R вершин виступів і одночасному зменшенні шорсткості Rmax , зростає, тобто формула (1) якісно вірно відображує реальну закономірність.

Експериментальні дослідження теплового і напружено-деформованого стану з'єднання з натягом проводилися з використанням програмного пакету для кінцево-елементного розрахунку плоских і вісесиметричних елементів машинобудівних конструкцій. Для розрахунку приймалися аналітично розраховані значення технологічних (температура нагрівання й охолодження, величини натягу і шорсткостей поверхонь, які сполучаються) і конструктивних параметрів, а потім визначались радіальні переміщення посадочних і зовнішніх поверхонь деталей, характер зміни температури і напруг уздовж радіуса блочка і насадки, розраховувались осьові, тангенційні й еквівалентні напруги в різні моменти часу формування натягу.

Аналіз отриманих результатів, зокрема, показує, що на краях посадочних поверхонь деталей виникає концентрація напруг. У момент початку формування натягу, що умовно прийнятий рівним 0,1 с, контактні тиски на посадочних поверхнях для з'єднання шпіндель-насадка досягають значень 35 МПа, на 5-й і 180-й секундах значення контактних тисків практично збігаються та дорівнюють 118 МПа, досягаючи 78 - 80% від напруг натягу при Т = 20о С. Це пояснюється впливом радіальних напруг, які виникають при нагріванні матеріалів з різними фізико-механічними характеристиками.

Контактні напруги на 0,1-й секунді на контактуючих поверхнях з'єднання шпіндель-блочок дорівнюють 63 Мпа, на 5-й і 180-й секундах в центральній частині практично досягають значень, зумовлених заданим натягом та дорівнюють 272 МПа. Праворуч від центру з'єднання напруги дещо нижчі, що пояснюєть нерівномірністю температурного поля в осьовому напрямку для даного моменту часу.

Отримані експериментальні дані з досить високою точністю підтверджують результати аналітичних досліджень, що дозволяє рекомендувати запропоновану методику для розрахунку напружено-деформованого стану відповідальних виробів машинобудівного виробництва при їхньому проектуванні та складанні комбінованим методом.

В роботі виконано комплекс досліджень, які дають можливість оцінити фактичну міцність з'єднань при комбінованому термічному методі їх складання. Вони передбачали планування експерименту, його проведення й опрацювання результатів із використанням існуючих методів математичної статистики при пошуку оптимальних умов. Було проведено складання окремих з'єднань веретена різними методами та їх розпрессовування.

Як видно з табличних даних (табл.1) для з'єднань блочок-шпіндель і блочок-насадка міцність на осьовий зсув досягає відповідно 81,5 і 3,9 кН, що в 2,8 і 2,15 разів більше ніж міцність цих з'єднань при механічному запресовуванні та на 10-15 % більше ніж при термічному складанні. Цей метод дозволяє зменшити температуру нагрівання деталей із 300о С до 80о С, що має істотний вплив на зниження температурних напруг у деталях.

У четвертому розділі запропоновано розрахунок режимів термічного впливу на контактуючі деталі з різними фізико-механічними характеристиками при комбінованому методі складання, який дозволяє визначати необхідну температуру нагрівання та охолодження для деталей з'єднання в момент початку їхнього контактування.

Таблиця 1. Міцність на осьовий зсув та порівняльна міцність дослідних з'єднань, зібраних різними методами (натяг - 0,0200,002 мм, діаметр і довжина посадки 8 мм, матеріал деталей: шпінделя і блочка - сталь 45, насадки - сплав АЛ4)

Розроблено метод вибору технологічних параметрів точності складання з'єднань і побудована графічна залежність, яка дозволяє при відомих конструктивних параметрах визначати допустимий кут можливого перекосу осей деталей при складанні, величину температурного впливу на деталі, величини зміни діаметрів посадки d при відомій температурі нагрівання та охолодження деталей у початковий момент складання. Встановлено взаємозв'язок між часовими та температурними режимами складального процесу, що дозволяє обгрунтувати вимоги до складального обладнання для виготовлення веретена термічними методами.

У розділі позначена область застосування результатів досліджень у різних галузях промисловості і показані перспективи використання комбінованого термічного методу складання циліндричних з'єднань із натягом.

ВИСНОВКИ

Отримано теоретичні та експериментальні залежності, що дозволяють за заданими конструктивними і технологічними параметрами деталей багатоелементних циліндричних з'єднань з урахуванням їхнього напружено-деформованого стану розробити рекомендації для розрахунку і проектування веретена кільцепрядильної машини з підвищеними характеристиками міцності.

Теоретично встановлено й експериментально підтверджено, що на міцність циліндричних багатоелементних з'єднань деталей з різними фізико-механічними властивостями при комбінованому термічному методі складання істотно впливають процеси теплообміну і характер розподілу напруг. Установлено, що завдяки інтенсивному теплообміну уже на 5-й секунді контактування напруги у деталях досягають 80 % від напруг сформованого з'єднання. З використанням методу кінцевих елементів розраховані значення термічних деформацій у з'єднаннях веретена, встановлено характер і оптимальний період формування натягу.

Встановлено, що при заданих величинах натягу 2=25 мкм у зоні контакту деталей шпіндель-блочок відбуваються пружні деформації матеріалів, а в зоні контакту деталей шпіндель-насадка - пружньопластичні. Показано, що по краях посадочних поверхонь з'єднання спостерігається концентрація напруг і еквівалентні напруги досягають меж плинності матеріалу, що необхідно враховувати при розрахунках таких з'єднань.

Запропонована методика розрахунку фактичної площі контакту в з'єднанні з натягом з урахуванням фізико-механічних властивостей деталей і методів підготовки їхніх поверхонь. Для розрахунку використовувалися дані про розміри деталей з'єднання, початковий натяг, параметри шорсткості спряжених поверхонь, пружні константи матеріалів, а також про пластичну твердість матеріалу тої деталі, яка в процесі складання пластично деформується в зонах фактичного контакту. Методика дозволяє вибирати при проектуванні такі сполучення параметрів з'єднання деталей із натягом, що забезпечують одержання необхідної фактичної площі контакту поверхонь.

На основі аналізу впливу різних факторів на температурні деформації охоплюючих деталей при комбінованому термічному методі складання веретена були запропоновані залежності, що дозволяють максимально зменшити термічні осьові переміщення торцьових поверхонь блочка та насадки, які впливають на експлуатаційні характеристики веретена.

Експериментально встановлено, що комбінований метод складання забезпечує міцність у з'єднаннях блочок - шпіндель і блочок-насадка відповідно в 2,8 і 2,1 рази більшу, ніж механічне запресовування і на 10-15% більшу, ніж складання з нагріванням.

Розроблено алгоритм і програмне забезпечення розрахунків міцності з'єднань з урахуванням технологічних, конструктивних і фізико-механічних характеристик деталей, зібраних комбінованим термічним методом, які дозволяють у виробничих умовах обгрунтовано проводити вибір і розрахунок оптимальної конструкції з'єднань і параметрів їхнього складання.

деталь веретено кільцепрядильний циліндричний

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ РОБІТ ПО ТЕМІ ДИСЕРТАЦІЇ