АМПЛИТУДНО-ЧАСТОТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ И КОНТАКТНАЯ ПОДАТЛИВОСТЬ СОПРЯЖЕНИЙ ПРЕЦИЗИОННЫХ КОНУСНЫХ СОЕДИНЕНИЙ Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 621.891.(048): 539.178.(048)

АМПЛИТУДНО-ЧАСТОТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ И КОНТАКТНАЯ ПОДАТЛИВОСТЬ СОПРЯЖЕНИЙ ПРЕЦИЗИОННЫХ КОНУСНЫХ

СОЕДИНЕНИЙ

A.A. Максименко, Н.В. Перфильева, В.А. Феропонтов, А.Д. Борисова

В работе рассматриваются результаты теоретических исследований механического контакта сопряжений прецизионных конусных соединений, а именно, амплитудно-частотные характеристики колебательных процессов в условиях динамического нагруже-ния, а также контактная податливость конусных соединений при различных физико-механических и геометрических параметрах контактирующих поверхностей.

Ключевые слова: контактное взаимодействие, механический контакт, конусные соединения, контактная жесткость и податливость.

В инженерной практике расчет соединений на прочность и жесткость ведется, в основном, без учета контактных взаимодействий на уровне шероховатости поверхностей. Для ответственных соединений точных приборов и машин, подверженных знакопеременным динамическим нагрузкам, при расчетах на прочность явление предварительного смещения не учитывается.

Деформации, появляющиеся в зонах фактического касания сопрягаемых деталей оказывают значительное влияние на силовые взаимодействия в фрикционном контакте. Они зависят от механических свойств, используемых в соединении материалов, параметров шероховатости их поверхностей и контурных давлений.

Жесткость сопряжения будет зависеть от упругих перемещений в пределах предварительного смещения в указанных зонах контактирования, Тогда нормальные и касательные упругие контактные перемещения оказывают существенное влияние на формирование величины натяга соединения. Поэтому рассматриваемая задача является весьма актуальной.

В процессе изучения упругих контактных смещений в условиях вынужденных колебаний и при динамическом нагружении получены амплитудно-частотные характеристики (АЧХ) при различных внешних условиях. Они позволяют оценить величину потерь механической энергии в контакте, и установить зоны резонанса и зоны устойчивой работы контактных пар. Это помогает создать с учетом полученных рекомендаций условно-неподвижные соединения достаточно надежными и прочными в эксплуатации.

Рассмотрим конусное соединение под действием осевой гармонической возбуждающей силы Ps^nфt в пределах трения покоя.

Используемая методика расчета контактных колебаний при динамическом воздействии в условиях вынужденных колебаний позволяет определять АЧХ в широком спектре контактных условий. Для контакта шероховатых поверхностей конических соединений изменяемыми параметрами контактирования являлись: т - масса; N - усилие статического поджатия; Р-величина вынуждающего усилия; параметры микрогеометрии поверхностного слоя верхнего движущегося тела:

Д - максимальная высота микронеровностей, г - приведенный радиус микронеровностей, 6 и V- параметры кривой опорной поверхности; физико-механические характеристики материала: Е -модуль упругости первого рода, ст-предел текучести материала поверхности.

Общие условия для всех рассмотренных случаев следующие:

N = 10 Н; т = 0,2 кг; Ятах = 5 • 10~6 м, = 3 • 10 ~ м, 6 = 2, У= 2; Р = 0,5 Н; Е = 2 • 1011 Па, с = 3.6 • 108 Па.

В каждом конкретном случае будет изменяться лишь один из параметров. На приведенных рисунках по оси абсцисс отражена

линейная частота процессов - V в герцах, а по оси ординат максимальные значения смещений -А в метрах.

Как показано на рисунке 1. рост нормальной статической контактной жесткости ПОЛЗУНОВСКИЙ ВЕСТНИК № 1 2015

приводит к резкому падению поглощающей способности контакта и значительному снижению максимальных амплитуд резонансной области.

Анализируя графики, представленные на рисунке 2. видно, что увеличение или уменьшение шероховатости существенно влияет на картину динамических процессов в контакте сопряжения: возрастает частота, снижаются амплитуды, растет коэффициент поглощения и соответственно количество энергии, которое рассеяно контактом. Увеличение статической контактной жесткости приводит к существенному падению поглощающей способности контакта и снижению максимальных амплитуд резонансной области.

V , Гч

1)

а ш

ш

щ

ш 116 в

250

т

то

т 2000 2250 I<,Гц

2)

Рисунок 1 - АЧХ тангенциальных контактных колебаний при изменении нормального статического поджатия 1) N = 60 Н; 2) N = ЮН

Важным моментом является влияние параметров шероховатого слоя на касательные контактные колебания. Как видно из рисунка 2 при увеличении максимальной высоты микронеровностей увеличиваются резо-

нансные амплитуды смещении и падают частоты процесса, одновременно видим рост величины рассеиваемой энергии контактом.

Л -г'м

ш

5.71

т ж Ш в

25В

№ ЯШ то V ,[Ц

1)

тв V. Гц

2)

Рисунок 2 - АЧХ тангенциальных контактных колебаний при различных параметрах микрогеометрии: 1)Я =1.75-10" м, г = 10 1 м;

11 ш\

2) Я = 7.5• 10~6м, г = 1.8-10~4м.

Контактная податливость прецизионного конусного соединения

Рассмотрим соединение, нагруженное гармонической возбуждающей силой Рею СО/ , направленной перпендикулярно оси соединения - в случае определения нормальной контактной податливости Ка и по оси соединения - при изучении касательной контактной податливости КТ .

Исследовалось влияние следующих параметров контактирования на работу сопряжения: коэффициента трения обеих

МАКСИМЕНКО А.А., ПЕРФИЛЬЕВА Н.В., ФЕРОПОНТОВ В.А., БОРИСОВА А.Д.

4,5

(О

(О

з: С

о -г

О V

з: о

■С Г

3,5

2,5

£ « 2

ь ц

1 Й 1,5 -

5 Ч

=г о .

5 С 1 в в

О

0,5

0,08

0,1

0 15

0,2

Максимальная высота микронеровностей Р тах *10-6 м

Рисунок 3 - Изменение коэффициента нормальной контактной податливости при различных коэффициентах трения

1,1 1,4 1,5 2,5 3,1

Максимальная высота микронеровностей К тах *10-6 м

Рисунок 4 - Изменение коэффициента нормальной контактной податливости при различных параметрах микрогеометрии

2,5

0,25 0.5 0,75 1 1,25

Максимальная высота микронеровностей К тах *10-6 м

Рисунок 5 - Изменение коэффициента тангенциальной контактной податливости при различных параметрах микрогеометрии

поверхностей соединений поверхностей соединения / ; геометрических характеристик

контактирующих шероховатых поверхностей

- максимальной высоты микронеровностей, приведенного радиуса микронеровностей г, параметров кривой опорной поверхности Ь и V.

При изучении были выбраны следующие геометрические и физико-механические характеристики: статическое осевое усилие N=20 кН; геометрические размеры соединения: ¿/ = 61,75 мм, /= 70 мм; коэффициент запаса прочности к = 1,5; физико-механические характеристики материала соединения: предел текучести ат = 200 МПа,

модуль упругости 1-го рода Е = 2 • 1011 Па, коэффициент Пуассона р. =0,3; коэффициент трения поверхностей 0,1; параметры микрогеометрии контактирующих поверхностей

(1) и (2): V, = 1,85, У2 = 1,8 , 6, =1,8, Ь2 = 0,95, = 0,32 • Ю-6 м, Ка =0,63-10-6м,

Ц = 370 • 10~6м, г2 = 180-КГ6 м.

Расчеты нормальной и тангенциальной контактной податливости сопряжения с учетом динамической составляющей проводились при изменении какого-либо одного из параметров при сохранении прочих равных условий контактирования.

Практическую ценность имеют результаты влияния на контактную податливость сопряжения коэффициента трения. Из рисунка 3. видно, что с возрастанием коэффициента трения возрастает статическая и динамическая контактная податливость сопряжения. Это обусловлено ослаблением контакта за счет изменения условий трения.

Увеличение значений максимальной высоты микронеровностей приводит к увеличению контактной податливости сопряжения как нормальном, так и в касательном направлениях (рисунок 4. и 5.).

Рассмотренная динамическая модель упругого контактного взаимодействия применительно к прецизионным конусным соедине-

ниям позволяет рассчитывать на прочность и жесткость реальные соединения с учетом протекающих в контакте процессов.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

I.Sharpe William N. Springer Handbook of experimental solid mechanics / William N. Sharpe // Springer Sei®ce+Business Media, LLC New York, 2008. XXX - 1098p. 874 illus., 58 illus. in color. -ISBN: 978-0-387-26883-5, e-ISBN: 978-0-387-30877-7.

2.Костогрыз, С. Г. Экспериментальное определение амплитудно-частотной характеристики механического контакта в области предварительного смещения / С. Г. Костогрыз, В. В. Ковалевский, Е. А. Збитнев // Трение и износ. - 1992. -Т. 13, №6.-С. 979-984.

3. Максименко, A.A. Влияние деформаций в контакте при расчете конических соединений / Максименко A.A..Перфильева Н.В., Перфильева А.Д., Феропонтов В.А. // Вестник Алтайской науки, № 2-2 /2013. Изд-во ОАО «Алтайский дом печати», Барнаул. С. 220-222

4. Максименко, A.A. Комплексная система конструирования прецизионных контактных соединений машин с прогнозируемыми параметрами работы / Максименко А.А.,Перфильева Н.В., Коте-нева Н.В., Перфильева А.Д., Феропонтов В.А. // Вестник Алтайской науки, № 2-2 /2013. Изд-во ОАО «Алтайский дом печати», Барнаул. С.217-219

Максименко A.A. - д.т.н., профессор, заведующий кафедры механики и инновати-ки, ФГБОУ В ПО «АлтГТУ им. И. И. Полз у нова», nirsagtu&Jist.ru

Перфильева Н.В. - д.т.н., профессор, кафедра механики и инноватики, ФГБОУ ВПО «АлтГТУ им. И. И. Ползу нова», sopromatl 16(ô).mail, ru

Феропонтов В.А. - аспирант, кафедра механики и инноватики, ФГБОУ ВПО «АлтГТУ им. И. И. Ползу нова», sopromatl 16(ô).mail, ru

Борисова А.Д. - к.т.н., доцент, кафедра механики и инноватики, ФГБОУ ВПО «АлтГТУ им. И. И. Ползу нова», sopromatl 16(ô).mail. ru