Экспериментальное определение собственных частот деталей пневмоударных машин Текст научной статьи по специальности «Физика»

--------------------------------- © М.М. Дружинин, В.Н. Белобородов,

2011

УДК 622.232.74:622.233.62—85

М.М. Дружинин,, В.Н. Белобородов

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ СОБСТВЕННЫХ ЧАСТОТ ДЕТАЛЕЙ ПНЕВМОУДАРНЫХ МАШИН

Приведены результаты экспериментального изучения собственных частот бойка при ударе, поскольку анализ этих частот позволяет судить о характере напряжений в детали.

Ключевые слова: нагруженность ударных деталей, пневмоударник, тензодатчик, напряжение, отскок деталей.

Одной из важнейших задач, стоящих перед создателями пневмоударных машин, является повышение долговечности этих машин, которая определяется нагруженностью ударных деталей.

Известно довольно много исследований, посвящённых проблеме распространения ударных волн в стержнях [13], закономерностям отскока деталей [4, 5], однако, работ, освещающих результаты исследования напряжённого состояния таких деталей как, например, боёк пневмоударника, известно мало [6, 7]. В работе [7] описан эксперимент, имитирующий единичный удар бойка сложной формы по буровой штанге. Боёк был выполнен в форме цилиндра с продольным осесимметричным каналом и двумя буртиками. Эксперимент проводился на вертикальном копре, боёк сбрасывался на буровую штангу. Ударные волны в бойке регистрировались с помощью тен-зодатчиков, наклеенных на боёк и ос-циллографической аппаратурой. Измерения показали, что наряду с напряжениями сжатия в бойке присутствовали растягивающие напряжения, которые обуславливают его усталостное разрушение.

Целью нашей работы было экспериментальное изучение собственных частот бойка при ударе, поскольку анализ этих частот позволяет судить о характере напряжений в детали. Был создан экспериментальный стенд, принципиальная схема которого показана на рис. 1.

Исследуемая деталь (боёк), помещалась на опоры, удар по сферическому торцу бойка наносился снарядом, который разгонялся пневмопушкой. Для ограничения полёта бойка на стенде имелся ограничитель. Влиянием опор на характер движения бойка пренебрегали. Деформации в бойке измерялись с помощью тензодатчиков

исследуемая деталь пневмопушка (боёк)

\ ограничитель

Рис. 1. Идея эксперимента с базой 20 мм и сопротивлением 110 Ом, наклеенных на диаметрально противо-

Рис. 2. Измерительная схема экспериментального стенда: 1 — боёк; 2 — снаряд; 3 — тело пневматической пушки; 4 — компьютер; 5 — дифференциальный усилитель сигнала с тензодат-чиков; 6 — источник света; 7 — фотодатчик; 8 — опоры; 9 — тензодатчики (тензорезисторы); 10 — ограничитель; АЦП — плата аналого-цифрового преобразования

Рис. 3. Электрическая схема подключения тензодатчиков

положные стороны бойка параллельно его продольной оси. Измерительная схема экспериментального стенда показана на рис. 2.

Эксперимент осуществлялся следующим образом. Снаряд разгонялся пневмопушкой до заданной скорости, фиксируемой оптическим измерителем скорости, состоящим из источника света и фотодатчика. Для измерения скорости на ударном конце снаряда имелся ряд проточек, залитых чёрной краской. При ударе в бойке возникает система волн сжатия-растяжения. Сигналы с тензодатчиков фиксировались с помощью усилителя,

платы АЦП и компьютера. Электрическая схема подключения тензодатчиков показана на рис. 3. Рабочие чертежи бойка и снаряда приведены на рис. 4. Обе детали были изготовлены из стали 4ХВ2С. Физико-механические характеристики стали даны в табл. 1.

Предударная скорость снаряда в экспериментах составляла 6.16 м/с. На рис. 5 приведена запись типового сигнала с тензодатчиков, который представляет собой всплеск за которым следует «дребезг», в виде гармонического сигнала.

Таблица 1

Физико-механические параметры стали 4ХВ2С

Модуль упругости первого рода Коэффициент Пуассона Плотность Предел прочности Скорость распространения малых возмущений в стали

Е р О а • -Я

Па - кг/м3 Па м/с

2.110й 0.3 7800 1470-106 5189

0.5x45

430

ЯШГ

-С

о

40

О

430

47 52

|_Л О

Рис. 4. Боёк и снаряд: сечение 1-І—место приклейки тензодатчиков

Рис. 5. Типовой сигнал с тензодатчика

В среде МаШешайса 5.0 был получен частотный спектр экспериментального сигнала, с использованием разложения в ряд Фурье, который представлен на рис. 6. Всплеск сигнала на рисунке со-

ответствует по оси абсцисс частоте 6100 Гц.

Численное моделирование соударения снаряда и бойка было проведено методом конечных элементов в

4000

3500

3000

2500

2000

1500

1000

500

ІЛЛМЛЛКАМЧІ уЛ

5000 10000 15000 20000

Рис. 6. Частотный спектр экспериментального сигнала

Гц 25000

Рис. 7. Конечно-элементная модель расчёта удара бойка и снаряда

<т, Па

29.8

14.9

-14.9

-29.8

-44.7

-59.6

-74.5

-89.4

-104.3

-119.2

сг,Н 106 106

/' V \/ V V V у 1/ V V и

V

0.4 0.8

1.2

1.6 2.0

ґ, тс

Рис. 8. Напряжения в соударяемых деталях: а — напряжение в бойке, полученные теоретически; б — напряжения в исследуемой детали, полученные экспериментально

б

а

трёхмерной постановке в среде ANSYS. Решение предполагает создание между соударяемыми деталями контактных элементов типа Conta 173. Материал деталей считался линейно упругим

(рис. 7). Скорость снаряда при этом принималась равной 6.16 м/с, т.е. соответствующей зафиксированной в эксперименте. На рис. 8 представлены напря-

Таблица 2

Моды бойка, полученные с использованием программмы ANSYS

№ Моды Частота, Гц Характер моды

1 1519.5 Простой изгиб

2 1544.7 Простой изгиб

3 3905.9 Полный изгиб

4 3962.1 Полный изгиб

5 4263.2 Кручение

6 6021.6 Растяжение-сжатие

7 7029.2 Сложный характер изгиба

8 7135.0 Сложный характер изгиба

9 8589.9 Кручение с утонением по торцам и середине стержня

10 10615.0 Сложный изгиб с растяжением-сжатием

11 10743.0 Сложный изгиб

12 12023.0 Растяжение-сжатие с утонением

жения в бойке, полученные расчётом и экспериментально.

С помощью программы ANSYS была построена трёхмерная конечноэлементная модель бойка и найдены моды его собственных колебаний, приведённые в табл. 2.

Анализ графиков показывает, что собственные частоты бойка, полученные расчётным и экспериментальным

1. В. Вeddoe. Propagation of elastic stress waves in a necked rod // J.Sound Vib. — 1965. — № 2. — vol. 2. — P. 150—166.

2. Малышев Б.М. Экспериментальное подтверждение теории Сен-Венана // Механика твёрдого тела. — 1967. — № 5. — С. 174—180.

3. Барон Л.И., Коняшин Ю.Г., Кузнецов А.В., Курбатов В.М. Влияние формы ударника на импульсы напряжений и эффективность разрушения горной породы // Шахтное строительство.

— 1969. — № 8. — С. 8—10.

4. Никишин Н.И. Отскок бойка и влияние его на работу отбойных молотков и бетеноло-мов // Исследование и расчёт ударных механизмов. — М., 1961. — Труды Все-

путём совпадают с точностью 1.3 %. Величины расчётных и измеренных напряжений также достаточно близки за исключением первой волны. Причины расхождения предстоит выяснить. На основании приведённых данных можно утверждать, что созданный стенд позволит получать достоверные данные при исследовании собственных частот соударяющихся деталей.

-------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

союзного научно-исследовательского института строительного и дорожного машиностроения. — С. 30—39.

5. Еремьянц В. Э. Султаналиев Б. С. Результаты исследования коэффициента отскока бойка отбойного молотка. — ФТПРПИ. — 2004.

— № 2. — С. 76—81.

6. Першин В.П., Топоров Г.В., Каменский В.В., Коваленко О.Ф. Испытания материалов на ударную усталость при волновом характере распределения нагрузки. — № 1. — ФТПРПИ — 1977.

7. Алимов О.Д., Шапошников И.Д., Лисов-

ский А.Ф. Напряжения в ступенчатом бойке // Исследование и совершенствование бурильных машин: сб. научн. тр. ФПИ. — Фрунзе, 1972. — Вып. 55. — С. 79—86. ЕШ '

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ --------------------------------------

Дружинин М.М. — кандидат технических наук;

Белобородов В.Н. — ИГД СО РАН, г. Новосибирск, yge@ngs.ru