CC BY
34
2. Касатонов В.Ф. Термическая обработка и очистка поковок / В.Ф. Касатонов, В.С. Стрелков, Б.О. Темкин. - Ленинград: Машиностроение. - 1982. - 70 с.
3. Мальгина Г.А. Скоростная цементация деталей и инструмента / Г.А. Мальгина, И.С. Буркут. - Минск: Машиностроение, 1972. - 26 с.
4. Юрьев С.Ф. Деформация стаи при химико-термической обработке/ С.Ф. Юрьев. - М.: Машгиз, 1980. - 302 с.
Получено 24.10.08.
УДК 621.778.27
Ю.М. Тебенко, Н.Ю. Землянушнова (Ставрополь, ОАО «Автокрансервис»)
К ВОПРОСУ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПРЕДЕЛЬНОГО СОСТОЯНИЯ ВЫСОКОСКОРОСТНЫХ ПРУЖИН
Приведены исследования по определению предельного состояния высокоскоростной пружины гидрооткатняка, в результате чего установлена удовлетворительная для практики сходимость значений предельных нагрузок контактного заневоливания, рекомендуемых ЦНИИМ, рассчитанных ро математическим зависимостям, определённых экссери-ментально. По размеру упругого ядра пружины определена предельная нагрузка.
Исследования по повышению стойкости высокоскоростной пружины 5-7 гидрооткатника, представленные в монографии [1 ], проводились в 1968 - 1971 годы, когда наилучшими инструментами инженера машиностроительного завода были логарифмическа линейка и линейки кульмана, проводились дорогостоящие эксперименты [2, 3], все трудоёмкие расчеты выполнялись вручную, а для проведения анализов и выводов строились таблицы и графики.
Результатом жилось то, что благодаря применению [4] разработанных технологических процессов, способов и устройств для контактного заневоливания решена проблема с недопустимо увеличенной осадкой пружин: стойкость опытных пружин относительно штатных пружин увеличилась в 1,5 раза.
По величине осадки пружин (рис. 1) от приложения контрольной нагрузки (2к стало возможным контролировать качество выполнения технологического процесса и качество метала, что исключает поступление дефектных пружин на сборку. Установлена удовлетворительна сходимость рекомендуемо го ЦНИИМ [5] предела максимальных нагрузок 300^3 и определённого экспериментально 288^3 (160 т) [2].
Рис. 1. График осадки опытных пружин
С появлением мощных компьютеров и соответствующего программного обеспечения значительно расширились возможности дл проведения исследований. Поэтому при производстве пружин полезны приведённые ниже сведения по определению предельного состояния высокоскоростной пружины 5-7, произведённые с применением ПЭВМ и статистических методов многофункциональной системы EXEL, математической программы MathCAD.
Для исследования использованы предложенные в работе [7] математические зависимости, позволяющие определять требуемую нагрузку контактного заневоливания в зависимости от величины рабочей нагрузки, механически свойств материма и диаметра поволоки, нагрузку разупрочнения пружины, геометрические и силовые параметры контактно за-неволенных пружин, величину припуска под контактное заневоливание.
Для определения фактического предела текучести поставляемого материала произведены теоретические исследования зависимости осадки пружины от предела текучести материла при нагрузке контактного заневоливания, равной нулю (сила сжатия пружины до соприкосновения витков 0,5546 т (5435 Н) — обычное заневоливание). Результаты исследований приведены в табл. 1.
Таблица 1
Зависимость осадки от предела текучести материала
ът, МПа 1450 1500 1600
А, % 7,264 5,756 3,436
Согласно полученным данным табл. 1 построен график зависимости осадки пружины от предела текучести поставляемого материала (рис. 2).
*
у = 1036беАОС& _2 Л г,
1440 1460 1460 1500 1520 1540 1560 1580 1600 1620
Предел текучести, МПа
Рис. 2. Зависимость осадки от предела текучести материала
Оценка связи между переменными и подбор механизма вычисления значений неизвестных переменных проведён на ЭВМ в программе БХБЬ с использованием линий треда. Расчёт линий тренда выполнен путём аппроксимации данных по методу наименьших квадратов в соответствии с уравнениями линий: линейной, логарифмической, степенной, экспоненциальной и полиномиальной. Уравнение линии тренда при результате достоверности аппроксимации Я2 = 0,9993
у =10366 х е “0,°05 х. (1)
Произведя исследования по выражению (1), получим фактическое значение предела текучести поставляемого материла пружины: 5? = 1490 МПа.
Для исследования осадки (рис. 3) пружины 5-7 использованы зависимости (2.5), (2.7)...(2.11), (2.21)...(2.23), (2.29), (2.32), (2.42)...(2.50) работы [7] с параметрами пружины: высота пружин в свободном состоянии I = 405 мм; полное число витков I = 10; рабочее число витков =10;
длина равёрнутой рабочей части пружины =2793,4 мм; диаметр поволоки Л =12 мм; коэффициент Пуассона ц = 0,3 ; модуль упругости материала проволоки пружины Е =2,04х105 МПа; модуль сдвига при
4
круче ни витка пружины G = 7,85 х 10 МПа; предел текучести 5? = 1490 МПа. Материал пружины сталь 65С2ВА ГОСТ 1769-53. Сила сжатия пружины до соприкосновения витков р = 0,5546 т (5435 Н). Угол подъёма
витков пружины (град): sinа0 =—; = 7°59'; шаг пружины (мм): t = -;
L i
t = 48,5; средний диаметр пружины, мм: D = —t—; D = 110.
ntga
Рис. 3. График осадки опытных пружин
Исследование проведено методом численного интегрирования по элементарным площадкам в программе MathCAD. Половина сечения проволоки диаметром 12 мм разбита на 250 элементов М1 - М250. В табл. 2 приведены: результаты: эксперимента л ных исследований в сравнении с теоретическими (расчётными).
Таблица 2
Результаты экспериментальных и теоретических исследований
Пружины Осадка при нагрузка, %
0, 5546 т 5,546 т 50 т 100 т 150 т 200 т
Опытные К11 6,05 6,75 7,31 8,88 11,19 14,06
К18 6,05 6,30 6,94 8,44 10,56 12,94
К1 6,05 6,30 7,31 8,44 10,00 12,56
К5 6,05 6,30 6,60 7,25 8,625 10,625
Среднее значение 6,05 6,41 7,04 8,09 10,1 12,546
Теоретические (расчетные) значения 6,068 6,293 6,39 7,116 7,982 8,861
Расхождения, % 0,3 1,8 9,1 12,04 20,97 29,37
На рис. 4 представлены график осадки экспериментальных пружин (кривая 1) и график, построенный в результате теоретических исследований (кривая 2).
у = 0,2848: [2 - 0,7195х + 5,571 * I > г*'
Е ' = 0,9982 ,-А J
II О 135х2 - 0,232' ?х + 6,2072
В2 = 0,994 2
О 0,572 50 100 150 200
Нагрузка контактного заневоливания, т
Рис. 4. Зависимость осадки пружины от нагрузки
Ниже приведены соответствующие уравнения линий тренда при результате достоверности аппроксимации:
R2 = 0,9982, у = 0,2848x2 -0,7195x + 6,571 — для опытных пружин;
R2 = 0,9942, у = 0,1135x2 - 0,2327x + 6,2072 — по расчётным значениям.
Расхождение расчетных и экспериментальных данных при обычном заневоливании составляет 0,3 %, что подтверждает достоверность исследований по определению фактического предела текучести поставляемой проволоки.
Расхождение между экспериментальными и теоретическими значениями осадок более 20 % при нагрузках контактного заневоливания, близких к предельным — 150...200 т (270...360F3), показывает необходимость
дальнейшего исследования изменения структуры материала пружины при данных нагрузках и усовершенствовании использованной математической модели.
Определение границы упругого ядра витка. Осадка пружины и повышение её стойкости после контактного заневоливания связаны с возникновением пластических деформаций в зонах контакта витков, в центре витков сохраняется упругое ядро.
Чтобы представить форму и границы упругого ядра, проведены расчеты для данной пружины (табл. 3, приведены только необходимые для построения ядра значения).
Таблица 3
Значения моментов точек М1-М250 в упругопластической зоне
(а = 1490, нагрузка 150 т)
Точка Х-* Уср X Ууп Хупр Мкр
1 2 3 4 5 6 7
М99 5,25 4,25 45,535 4,295 45,92 1189
М123 5,329 3,75 42,364 4,54 49,925 1633
М145 4,75 3,25 33,025 3,27 33,155 1180
М146 5,227 3,25 37,78 4,23 45,125 1152
М148 -4,25 2,75 25,524 4,16 35,295 1146
М149 -3,75 2,75 21,53 3,205 24,35 1064
М166 4,25 2,75 25,522 2,615 24,795 1133
М167 4,848 2,75 30,955 3,43 35,17 1747
М171 -3,25 2,25 15,527 2,575 17,105 1063
М188 4,687 2,25 26,913 3,175 31,95 962,234
М189 -4,236 1,75 20,883 4,125 34,885 1213
М192 -2,75 1,75 10,523 2,115 11,945 1083
М205 3,25 1,75 13,514 1,764 13,563 1151
М206 3,75 1,75 17,006 2,13 18,49 1219
М207 4,236 1,75 20,883 2,6 24,598 1218
М208 -3,734 1,25 15,375 3,18 23,97 1214
М211 -2,25 1,25 6,5155 1,778 8,136 1119
М212 -1,75 1,25 4,5306 1,584 5,5095 1059
М213 -1,25 1,25 3,0548 1,807 4,7822 938,716
М221 2,25 1,25 6,5155 1,27 6,567 1129
М222 2,75 1,25 9,006 1,48 9,642 1180
М224 3,734 1,25 15,375 2,12 18,328 1219
М225 -3,159 0,75 10,406 2,48 16,04 831,237
М230 -0,75 0,75 1,0578 2,26 5,656 875,273
М231 -0,3 0,75 0,6359 2,451 6,095 642,512
М232 0 0,75 0,6359 2,48 6,15 315,063
М233 0,3 0,75 0,63155 2,435 6,017 638,687
М234 0,75 0,75 1,0578 2,197 5,375 864,755
М235 1,25 0,75 2,0213 1,51 3,7855 1049
М236 1,75 0,75 3,5045 1,155 4,2987 1178
М239 3,159 0,75 10,406 1,703 12,768 834,764
М240 -2,199 0,25 4,7565 1,75 9,811 1042
М250 2,199 0,25 4,7565 1,256 6,305 1051
Рассчитанная полуширина полоски контакта Ь при контактном за-неволивании нагрузкой 150 т равна 0,3787 мм, что согласуется [3] с замеренной на витке; рассчитанная осадка 7,982 %.
Проведа соответствующие пересчёты координат для построения сечения витка в системе БХБЬ, получим координата условной границы: (табл. 4) упругого ядра пружины1 при контактном заневоливании. На рис. 5 показана форма упругого ядра в сечении витка экспериментальных пружин
(известно, что нет чёткой границы между упругой и пластической зонами) при нагрузках контактного заневоливания: а - 2 =150 т (Ь = 0,3787 мм); б - 2 = 200 т (Ь = 0,4373 мм, рассчитанная осадка 8,861 %).
Таблица 4
Координаты границы упругого ядра
X 0 -4,25 -4,236 -3,75 -3,734 -3,25 -3,159 -2,75 -2,25 -2,199 -1,75 -1,25
у ^ упр 1,84 1,875 2,795 2,82 3,425 3,52 3,885 4,222 4,25 4,416 4,193
х 0 -0,75 -0,3 0 0,3 0,75 1,25 1,75 2,199 -3,75 2,25 2,75
у упр 3,76 3,549 3,52 3,565 3,803 4,49 2,875 4,744 2,795 4,73 4,52
х 0 3,25 3,734 3,75 4,25 4,75 4,687 4,848 5,227 5,25 3,25 5,329
У упр 4,236 3,788 3,87 3,385 2,73 2,825 2,57 1,77 1,705 4,236 1,46
Показано, что размер упругого ядра на рис. 5, а (нагрузка заневоливания 150 т) несколько превышает половину поперечного сечения витка и близок к рекомендуемому [6] значению do =(0,5...0,6)с! = 7,04 мм, что свидетельствует об удовлетворительном качестве изготовленной пружины. Размер упругого ядра на рис. 5, б (нагрузка 200 т — 360^) равен половине сечения витка - do = 0,5d = 6 мм, стойкость пружины находится на пределе, и при работе в изделии пружина осядет и потеряет силы.
Рис. 5. Форма упругого ядра витка пружины: do =d - 2у^
По результатам проделанной работы можно сделать выводы:
- расхождение расчетных и экспериментальных данных при обычном заневоливании составляет 0,3 %, что подтверждает достоверность исследований по определению фактического предела текучести
поставляемой проволоки;
- расхождение между экспериментальными и теоретическими значениями осадок более 20 % при нагрузках контактного заневоливания, близких к предельным, показывает необходимость дальнейшего исследования изменения структуры материала пружины при данных нагрузках и усовершенствования использованной математической модели;
- установлена удовлетворительная для практики сходимость значений предела максимальных нагрузок: рекомендуемого ЦНИИМ 300^3, рассчитанного 360^3 по математическим зависимостям, определённого 288^3
эксперименально;
- по размеру упругого ядра пружины определена предельная нагрузка контактного заневоливания;
- предложенная математическая модель контактно заневоленных пружин рекомендуется к использованию в производстве высокоскоростных пружин.
Библиографический список
1. Землянушнова НЮ. Повышение качества пружин: монография / Н.Ю. Землянушнова, Ю.М. Тебенко. - Ставрополь: СевКавГТУ, 2001. - 92 с.
2. Тебенко Ю.М. Отчёт о результатах изготовления и испытания пружин 5-7К изделия 2А28 программы апреля 1971 года / Ю.М. Тебенко. -Тула: Машзавод, 1971.
3. Тебенко Ю.М. О влиянии высоты торца витка на силовые и геометрические параметры пружины 5-7К изделия 2А28 / Ю.М. Тебенко. -Тула: Машзавод, 1971.
4. Тебенко Ю.М. К использованию контактного заневоливания пружин / Ю.М. Тебенко, Н.Ю. Землянушнова // Изв. ТулГУ. Сер. Механика деформируемого твёрдого тела и обработка металлов давлен ем. Вып. 1. -2006.- С. 248 -255.
5. Технический отчёт №2 7036 / ЦНИИМ. - СПб., 1967.
6. Пономарев С.Д. К обоснованию размеров упругого ядра в заневоленных пружинах / С.Д. Пономарёв //Изв. вузов. Сер. Машиностроение, 1974. — № 10. — С. 24—27.
7. Землянушнова Н.Ю. Совершенствование процесса контактного заневоливания виновых цилиндрических пружин сжатия: дис... канд. техн. наук. - Магнитогорск, 2007. - 169 с.
Получено 24.10.08.
