CC BY
121
ISSN 0131-5226. Сборник научных трудов СЗНИИМЭСХ. 2000. Вып. 71.
УДК 631.33
В.В. БЕЛОВ, канд. техн. наук;
(СПГАУ)
А.М. ВАЛГЕ, канд. техн. наук;
(СЗНИИМЭСХ )
ОПЕРАТИВНЫЙ МЕТОД КОНТРОЛЯ ЖЕСТКОСТИ ПРУЖИНЫ
Рассмотрен метод контроля фактической жесткости пружины путем измерения контрольной силы пружины при растяжении. Если полученное значение контрольной силы оказывается в допустимом пределе, то принимают решение о пригодности пружины, в противном случае пружину бракуют. Предложенный метод оперативного контроля жесткости пружин позволяет сократить время проверки и подбора пружин при сборке и ремонте подвесок различных по назначению механизмов.
Наиболее широко в машиностроении распространены цилиндрические винтовые пружины растяжения и сжатия. Основные характеристики пружин, по которым они оценивается: С - жесткость пружины, определяемое как отношение приращения нагрузки АР к соответствующему приращению длины АН пружины; НС - свободная длина пружины; Р1 - наименьшая предварительная рабочая нагрузка пружины на механизм подвески при соответствующей длине пружины Н^ Р2 - рабочая нагрузка пружины, соответствующая допускаемому напряжению и длине Н2; Р3 - максимальная нагрузка, растягивающая пружину до появления напряжений, близких к пределу упругости, либо сжимающая пружину до соприкосновения витков, максимальная нагрузка соответствует длине Н3. Также надо отметить наличие предварительного натяжения пружины, обусловленного межвитковым давлением, которое создается при навивке закрытых пружин растяжения.
Методика расчета и определения основных конструктивно -технологических параметров пружин широко известно из справочников. Механизмы подвески должны создать и сохранить расчетную упругую характеристику. Известно, что упругая характеристика механизма подвески в основном зависит от жесткости пружины. Величины жесткости, свободной длины пружины имеют пределы варьи-
48
Раздел I. Растениеводство.
рования в виду технологических особенностей изготовления. С другой стороны, в процессе эксплуатации жесткость и свободная длина пружины также изменяются. Вследствие изменения жесткости, свободной длины пружин упругие характеристики подвески также будут отклоняться от расчетных.
Статистические данные по динамометрированию показывают, что фактическая жесткость новых так и бывших в эксплуатации пружин отклоняется от среднего значения на ±15% и более. Среднее значение жесткости пружин по совокупности 1400 кг/м, а коэффициент вариации 10,27.
Сводная таблица результатов исследования жесткости пружин
№ Нс C А,% № Нс C А,%
1 24 495 1402 0,25 9 24,5 460 1257 -10,1
2 25,5 462 1239 -11,4 10 25,5 478 1268 -9,33
3 26 460 1182 -15,5 11 26,5 475 1581 13,05
4 25 470 1517 8,47 12 25,5 459 1607 14,91
5 25,5 482 1425 1,9 13 26 475 1442 3,11
6 25 468 1300 -7,04 14 26 476 1589 13,6
7 26 490 1303 -6,83 15 25,5 480 1542 10,3
8 25,5 475 1243 -11,1 16 26,5 475 1479 5,78
N - число рабочих витков, шт; НС - свободная длина пружины по торцам пробок, мм; С - жесткость пружины, кг/м; А - отклонение жесткости пружины от среднего значения, %.
Изменение свободной длины пружины в процессе эксплуатации приводит к неадекватному изменению ее жесткости, что видно из табличных данных. Например при одинаковом числе рабочих витков 26 штук (пружины № 3, 7, 13,14) свободная длина пружин и их жесткость значительно отличаются друг от друга. Поэтому при сборке механизма подвески предугадать, какая комбинация пружин окажется в блоке механизма подвески, невозможно. Очевидно, что в случае попадания в блок пружин с большей или меньшей жесткостью упругие характеристики механизма подвески на разных экземплярах будут
49
ISSN 0131-5226. Сборник научных трудов СЗНИИМЭСХ. 2000. Вып. 71.
значительно отличаться друг от друга. Рассмотренное обстоятельство часто приводит к тому, что механизмы подвески не выполняют свои функции, поэтому возникает проблема оперативного контроля жесткости пружин.
Определение фактической жесткости пружины проводят растягиванием и поступенчатой фиксацией нагрузки и длины пружины, используя различные стенды и т.п. На основе полученных экспериментальных данных вычисляют жесткость пружины. Этот метод определения фактической жесткости требует значительных затрат времени и средств. В связи с этим нами был предложен и использован при ремонте механизмов подвески оперативный метод контроля фактической жесткости пружины косвенным путем, по показанию динамометра при растягивании пружины в два этапа, в предположении, что допуск Д на отклонение фактической жесткости от расчетной задан.
1 - й этап. Нагружаем растягиванием пружину до усилия Р (задано заранее) и фиксируем текущую длину Н исходя из условия, что
Р1 < Р << Р2 . (1)
2 - ой этап. Увеличиваем нагрузку на пружину до заранее заданной контрольной величины приращения ДНК длины пружины при условии
ЛНк < Н1 - Н2 . (2)
В этом положении фиксируют контрольную силу пружины РК. Значение РК при этом должен удовлетворить условию
Рк < Р2 . (3)
Полученное фактическое значение РК сравнивают с расчетными допустимыми минимальным [Pmin] и максимальным [Pmax] значениями силы пружины. Если выполняется условие
[Pmin] < Рк < [Pmax] , (4)
то принимают решение о пригодности пружины для эксплуатации, а если условие (4) не выполняется, то пружина бракуется.
Рассмотрим аналитическое определение значений НК, [Pmin],
[Pmax].
50
Раздел I. Растениеводство.
Сила пружины Р определяется по формуле
Р = С ( Н - Нс ) . (5)
Контрольная длина пружины НК определится как
Нк=Н+ДНк . (6)
Вычисленное значение Нк не должно превышать Н2, то есть необходимо соблюдать следующее условие Нк< Н2.
Значение контрольной силы пружины РК определяется по формуле
Рк = С ( Н + ДНк - Нс ) . (7)
По величине РК можно определить допустимые значения [Pmin] и [Pmax] при заданном значении допуска Д на отклонение фактической жесткости от расчетной
[Pmin] = ( 1 - Д ) Рк ; (8)
[Pmax] = (1+ Д ) Рк . (9)
С учетом условий (1), (2), (3) и соотношений (5), (6) и (7) преобразуем выражения (8) и (9). Подставив и выполнив преобразования получим
[Pmin] = ( 1 -Д ) * ( Р + ЛНк С) ; (10)
[Pmax] = ( 1 + Д ) * ( Р + ЛНк С) . (11)
Как видно из (10), (11), искомые величины связаны с данными рабочего чертежа пружины. Для упрощения вместо Р в формулах (10), (11) можно использовать величину Р1 , что вполне допускает условие (1).
Проводя аналогичные рассуждения, можно получить формулы для определения показателей оценки пружин, работающих на сжатие. Формулы будут аналогичны. В этом случае вместо удлинения пружины учитывают величину сжатия пружины. Предложенный метод не требует больших затрат времени и расчетов в процессе сборки и ремонта пружинных механизмов.
Рассмотрим пример использования оперативного метода контроля фактической жесткости пружины путем измерения контрольной силы пружины. Допустим, имеется пружина со следующими па-
51
ISSN 0131-5226. Сборник научных трудов СЗНИИМЭСХ. 2000. Вып. 71.
раметрами (по рабочему чертежу): С =1350 кг/м; Hj=0,559 м; Pj= 80 кг; Н2= 0,712 м; Р2= 300 кг. С учетом условия (1) примем значение Р=100 кг, величину АНК с учетом условия (2) примем равным 0,1 м, а допуск на отклонение фактической жесткости от расчетной принимаем исходя из условий технических требований на ремонт механизма подвески Д=8%. Р и АНК рекомендуем принять в виде легко запоминающихся числовых значений, чтобы облегчить работу исполнителя. По принятым значениям вычисляют предельные значения контрольной силы пружины:
[Pmin] = ( 1 - 0,08 ) * ( 100 + 0,1*1350) =216 кг;
[РмАХ] = ( 1 + 0,08 ) * ( 100 + 0,1*1350)= 254 кг .
Значение [РМАХ] не должно быть больше P2, что нами соблюдено.
Проводят эксперимент по оценке фактической жесткости пружины, для чего пружину растягивают до нагрузки 100 кг и фиксируют значение текущей длины Н. Далее, определив контрольную длину пружины по формуле (6), увеличивают натяжение на величину АНК до длины пружины, равной НК (или же используя шаблон равный ДНК=0,1 м, не подсчитывая значение НК). По показанию динамометра РК проверяют выполнение условия (4). Если условие (4) выполняется, пружину можно использовать, в противном случае - выбраковывают.
При установке пружин в блоке их подбирают по сумме жесткости так, чтобы суммарное значение было равно расчетному. Очевидно, что данное условие легко выполнимо при использовании рассмотренного метода, а также позволяет значительно расширить допустимый диапазон отклонения жесткости от расчетного. В этом случае пружины с большей жесткостью устанавливают в один блок с пружинами меньшей жесткости.
Оперативный метод контроля жесткости пружин путем измерения контрольной величины силы пружины позволяет сократить время проверки и принять решение о пригодности для ее использования при сборке и ремонте подвесок различных по назначению механизмов.
Получено 05.05.00.
52
