CC BY
22
Рис. 2. Зависимость несущей способности опор О от частоты вращения вала л и относительной магнитной силы
Величина относительной магнитной силы Ом является отношением магнитной силы к максимальной газостатической силе и определяется по следующей зависимости:
м ог рьэ
Согласно представленным графикам (рис. 2), несущая способность газомагнитного подшипника при <Эм = 0,Зна 10. ..30% выше, чем у газостатической опоры (Ом = 0). При этом экспериментальные точки, соответствующие Ом = 0,3, достаточно близко лежат к теоретической кривой.
В настоящее время в Комсомольском-на-Амуре ГТУ ведутся работы по широкомасштабному исследованию характеристик газомагнитных опор и высокоскоростных шпиндельных узлов шлифовальных станков с такими опорами.
Библиографический список
1. Пуш, А. В. Шпиндельные узлы: Качество и надёжность / А. В. Пуш. — М. : Машиностроение, 1992. — 228 с.
2. Пат. 2347960 Российская Федерация, МПК7Б 16 С 32/04, Б 16 С 39/06. Способ работы подшипникового узла и подшипниковый узел/Космынин А. В., Щетинин В. С.; заявитель и патентообладатель Комсомольский-на-Амуре государственный технический ун-т. - № 2007120545/11; заявл. 01.06.07 ; опубл. 27.02.09, Бюл. №6.-2 с.
3. Эксплуатационные характеристики газовых опор высокоскоростных шпиндельных узлов / А. В. Космынин [и др.]. — М.: Академия естествознания, 2006. — 219 с.
4. Журавлёв, Ю. П. Активные магнитные подшипники: Теория, расчет, применение / Ю. П. Журавлёв. — СПб. : Политехника, 2003. - 206 с.
5. Космынин, А. В. Применение магнитной силы в газостатических опорах высокоскоростных шпиндельных узлов / А. В. Космынин, В. С. Щетинин, Н. А. Иванова. — Вестник машиностроения. - 2009. - №5. - С. 19-21.
ИВАНОВА Наталья Александровна, старший преподаватель кафедры «Машины и аппараты химических производств».
БЛИНКОВ Сергей Сергеевич, аспирант кафедры «Технология машиностроения». ЩЕТИНИН Владимир Сергеевич, кандидат технических наук, доцент кафедры «Машины и аппараты химических производств».
Адрес для переписки: e-mail: [email protected]
Статья поступила в редакцию 10.04.2010 г. © Н. А. Иванова, С. С. Блинков, В. С. Щетинин
уДк 5313 П. Д. БАЛАКИН
Э. А. КУЗНЕЦОВ П. А. ПРОЗОРОВ
Омский государственный технический университет
Омский танковый инженерный институт
МЕХАНИЗМ НЕИЗНОСНОГО ФОРМИРОВАНИЯ ЗАЗОРА В ПОДВИЖНОМ СОЕДИНЕНИИ С СИЛОВЫМ ИМПУЛЬСНЫМ НАГРУЖЕНИЕМ
Приведен механизм формирования зазора из-за пластической деформации элементов нагруженной переменным усилием связи и технические решения автокомпенсации и другой компенсации такого зазора.
Ключевые слова: динамическое нагружение, пластическая деформация, формирование зазора, компенсация зазора.
Известно, что в изначально беззазорных высоко-нагруженных связях, передающих значительные периодические, переменные и знакопеременные нагрузки, из-за накопления пластических деформаций активных элементов связи формируется зазор,
который изменяет характер силового взаимодействия элементов на ударный, что, в свою очередь, вызывает прогрессивное увеличение зазора, рост динамического нагружения и, как следствие, доресурсное разрушение соединения. В подобных условиях рабо-
\р
Рис. 1. Ударное взаимодействие двух тел
тают замковые соединения сцепок вагонов, элементы подвески транспортных машин, подвижные соединения пульсаторов, виброударных систем и др.
Поскольку пластическое течение различных материалов наступает при определенном пороговом значении относительной деформации, то знание предельных режимов нагружения, при которых запускается механизм формирования зазора активных элементов соединения, представляет интерес как при проектировании соединения, так и при разработке технических решений по автокомпенсации или выборке образующегося зазора.
В [ 1 — 11 ] показано, что удар характеризуется возникновением напряженного состояния в контактной зоне вследствие перехода в короткий промежуток времени кинетической энергии относительного движения вещественных контактирующих тел в потенциальную энергию деформации зоны контакта с последующим распространением волн напряжений по материалам взаимодействующих таким образом тел. Волновое движение при единичном ударе поглощается материалами соударяющихся тел, а при периодическом, в частном случае гармоническом, силовом воздействии контактные деформации переходят в пластическое течение поверхностных активных зон.
Представляет интерес задача по определению в первом приближении предельной скорости соударения тел, независимо от их формы и размеров, при которой начинается пластическая деформация активных поверхностей связи, поскольку познание неизбежной эволюции изначально беззазорного соединения в соединение с зазором и последующим разрушением, требует поиска технического решения соединения, в котором возникающий зазор должен быть скомпенсирован. Без переусложнения конструкций соединения единственно возможным приемом компенсации зазора, реализуемого механическими средствами, является дополнительное к основному движение элементов связи.
Обратимся к первичной модели ударного взаимодействия двух тел (рис. 1).
По телу длиной 1 и сечением Б, заделанному верхним концом и находящемуся в покое, наносится удар телом такого же сечения. В момент контакта между телами возникают силы .Р взаимодействия, равные по величине и противоположные по знаку. Эти силы деформируют за короткое время сИ соударение участков стержней длиной сИ. Приняв обозначение $ — скорость распространения деформации в телах, получим
&=(11/сИ, (1)
т.е. за время его деформируемый участок сократится на величину й и=г<Н, где 8 — относительная деформация, которая для разных материалов имеет свое пороговое значение, разделяющее упругую и пласти-I ческую деформации.
Продолжим дальнейший анализ первичной модели.
Сечение тела, изначально имевшее скорость у= О, приобретает скорость
у= <Ш/(Н=ес11/<Н=Е 3 . (2)
Полагая пока, что деформация носит упругий характер, при котором исполняется закон Гука, получим
(3)
где а = Е/Б—напряжение в зоне взаимодействия тел, Е — модуль упругости материалов (полагаем их одинаковыми) , 5 — площадь поперечного сечения тел.
Если обозначить массу деформированного участка йт, то для нее можно записать известные соотношения, вытекающие из закона сохранения импульса:
у(1т=ур5сИ=Рс11, откуда у=Е(И/р8й1=ъ/р 8 , (4)
где р — плотность материала.
Приравняв правые части (3) и (4), получим
у = (5)
Если предположить, что материал соударяющихся тел— сталь, то£"=1.96- 10пн/м2, ар=7.85-103кг/м3, следовательно, у=5.0- 103м/с.
Подставив это значение у в (2) и зная, что пластическое течение стали начинается при пороговом значении относительной деформации 8=0,001, находим критическое значение скорости Укрцт соударения тел, при котором зона взаимодействия тел будет испытывать пластическую деформацию и, как следствие, в соединении образуется зазор неизносного происхождения, и, естественно, величина зазора имеет тенденцию к прогрессивному нарастанию:
V ри/п=8-у = 0.001 -5.0-103 м/с = 5 м/с.
Таким образом, в связи допластичеекая скорость у ударного взаимодействия активных поверхностей должна быть У<Укрит, а при нарушении этого условия будет наблюдаться явление неустранимо развиваемого зазора.
Кроме того, в [ 1 ] отмечается, что в виброударных системах пластические деформации активных зон могут возникнуть и при меньших скоростях соударений за счет накопления возмущений при систематическом периодическом (гармоническом) силовом воздействии на элементы соединения. Это подтверждается расчетом усилий в связях с подобным характером нагружения. Так, придерживаясь модели по определению критической скорости соударения, на основании закона Гука, имеем
Е(х, £ )=ЕБг=Е8(с1 Щх, £ )/йх), (6)
где х — координата, отсчет которой идет от поверхности соударения в глубь тела.
Если ограничиться оценкой силы удара по времени, то
Е(1)=Е8(сШ/сН),
а с учетом (1)
(7)
где у— скорость соударения тел, входящих в соединение.
В первом приближении можно отойти от модели волновой трансформации кинетической энергии соударения в потенциальную вглубь материальных тел, а ограничиться законом сохранения импульса для конечных масс т] и т2, при этом возможны некото-
Рис. 2. Соединение для передачи осевых сил: 1 — шток; 2 — платформа; 3 — упругая диафрагма; 4 — тяга; 5 — башмак; 6 — вставки сменные; 7 — фиксатор
по разному, но в целом укладывается в диапазон А £ = = (10"М0"5)сек, следовательно:
РунГЩ^У/Ы). (9)
Например, по (9)масса ударника в 1 кг при у=5.0 м/с способна создать силу удара в диапазоне Рдин— =(5 ООО — 500 ООО) Я, что достаточно для запуска механизма образования зазора с последующим его прогрессивным развитием.
В заключение приведем некоторые технические решения соединений с автоматической и ручной выборкой образующихся зазоров. Предлагаемые технические решения представлены на (рис. 2 — 3). На (рис. 2) периодическое усилие от штока к платформе передается трением за счет самотормозящейся связи тяг 4 с башмаками 5, а автоматическая выборка зазора обеспечивается упругой диафрагмой 3, а работа соединения с периодической ручной выборкой зазора ясна по (рис. 3 а, б).
Библиографический список
Рис. 3. а) Соединения с периодическим выбором зазора: 1 — шток; 2 — платформа; 3 — винт регулировочный; 4 — косые втулки; б) соединения с периодическим выбором зазора: 1 — шток; 2 — подшипник; 3 — палец; 4 — клин; 5 - винт регулировочный
1. Бабицкий, В. И. Теория виброударных систем (приближенные методы) / В. И. Бабицкий. — М.: Наука, 1978. — 352 с.
2. Бабаков, И. М. Теория колебаний / И. М. Бабаков. — М. : Наука, 1968. - 560 с.
3. Быховский, И. И. Основы теории вибрационной техники / И. И. Быховский. — Машиностроение, 1969. — 363 с.
4. Вульфсон, И. И. Динамические расчеты цикловых механизмов / И. И. Вульфсон. — М.: Машиностроение, 1976. — 328 с.
5. Кобринский, А. Е. Виброударные системы / А. Е. Кобрин-ский, А. А. Кобринский. — М. : Наука, 1973. — 591 с.
6. Поновко, Я. Г. Основы прикладной теории колебаний / Я. Г. Поновко. — Л. : Машиностроение, 1976. — 320 с.
7. Поновко, Я. Г. Введение в теорию механического удара / Я. Г. Поновко. - М. : Наука, 1977. - 224 с.
8. Коловский, М. 3. Колебания линейной системы с ограничителями при случайной нагрузке / М. 3. Коловский. — А. : ММТ, 1967. - №3. - С. 147-151.
9. Вибрации в технике : справочник. В 6 т. Т. 4 / Под ред. В. Н. Челомея. — М.: Машиностроение, 1981. — 351 с.
10. Модель первого приближения реальной связи с зазором штока амортизатора с направляющей втулкой ее корпуса в условиях переменного и знакопеременного нагружения / П. Д. Бала-кин [и др.]. // Омский научный вестник. — 2007. — № 10 (48). — С. 41-45.
11. Балакин, П. Д. Моделирование ударного взаимодействия опорного катка движителя многоцелевой гусеничной машины с единичным дорожным препятствием / П. Д. Балакин, Э. А. Кузнецов, П. А. Прозоров // Омский научный вестник. — 2009. — №3(83). - С. 68-72.
рые частные случаи ударного взаимодействия, например ,т2 = оо и скорости массы т2 до и после соударения равны нулю (масса одного из тел значительна и неподвижна и удар абсолютно неупругий), тогда в конечных приращениях для ударника будем иметь:
откуда
РдшГт1 (8)
где Ау — отрицательное приращение скорости ударника, положив Уна =у и укон = 0, имеем Лу = V, а Д£ — время соударения, оценивается в разных источниках
БАЛАКИН Павел Дмитриевич, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой теории механизмов и машин Омского государственного технического университета.
КУЗНЕЦОВ Эрнст Андреевич, кандидат технических наук, профессор, заведующий кафедрой технической механики Омского танкового инженерного института (ОТИИ).
ПРОЗОРОВ Павел Александрович, профессор кафедры эксплуатации и ремонта ОТИИ. Адрес для переписки: 644050, г. Омск, пр. Мира, 11.
Статья поступила в редакцию 15.12.2010 г. © П. Д. Балакин, Э. А. Кузнецов, П. А. Прозоров
