CC BY
20
УДК 621.8:539.3
МОДИФИКАЦИЯ СТЫКА - СПОСОБ УВЕЛИЧЕНИЯ СТАТИЧЕСКОЙ ПРОЧНОСТИ СОЕДИНЕНИЙ
С ГАРАНТИРОВАННЫМ НАТЯГОМ
И. Л. Рязанцева
Омский государственный технический университет, г. Омск, Россия
DOI: 10.25206/2310-9793-2017-5-1-53-56
Аннотация - Показано, что одним из способов увеличения несущей способности соединений с гарантированным натягом является модификация макрогеометрии стыка путем изготовления на посадочной поверхности охватываемой детали канавок малой глубины. Приведены некоторые результаты натурного эксперимента, подтверждающие эффективность этого технического решения.
Ключевые слова: Соединение, натяг, посадка, несущая способность, прочность, деформационная волна, контактное давление.
I. Введение
Цилиндрические соединения с гарантированным натягом - одно из наиболее распространенных неподвижных соединений. Они компактны, отличаются простотой конструкции и отсутствием специальных крепежных деталей, могут передавать значительные и произвольно направленные силы. В этих соединениях связь между деталями обеспечивают упругие силы сцепления (трения). В связи с этим даже однократная их перегрузка недопустима, поскольку может вызвать относительное смещение деталей и демонтаж соединения. При повторной сборке несущая способность соединения уменьшается значительно.
В настоящее время по проблеме прочности соединений с гарантированным натягом накоплен богатейший опыт [1-7]. Тем не менее, проблема прочности рассматриваемых соединений остается по-прежнему важной и актуальной.
II. Постановка задачи
Для увеличения статической прочности соединений с гарантированным натягом предлагается изменять макрогеометрию стыка путем модификации поверхности сопряжения одной из соединяемых деталей канавками малой глубины, соразмерной с натягом. Канавки изготавливаются на детали, имеющей большую поверхностную твердость [6, 7].
На рис. 1, а показано соединение, модифицированное кольцевыми канавками постоянной ширины lК, расположенными на равном расстоянии 1П друг от друга. При температурной сборке соединения материал охватывающей детали 2 на разных участках стыка деформируется по-разному. В пределах канавок его смещение в радиальном направлении меньше, чем на площадках контакта. Часть его заходит в канавку (рис. 1, б), образуя
деформационную волну высотой AU2 и обеспечивая дополнительную фиксацию соединяемых деталей.
Поставим и решим задачу по определению влияния параметров модификации геометрии поверхностей стыка в прессовом соединении на его несущую способность.
а б
Рис. 1. Соединение с натягом, модифицированное кольцевыми канавками
III. Теория
Несущая способность соединения с модифицированной поверхностью сопряжения зависит от вида деформации материала охватывающей детали (втулки). Материал может испытывать упругую, упруго-пластическую и пластическую деформацию. При упругой деформации материала втулки несущая способность соединения определяется величиной силы трения, действующей на площадках контакта, и способностью каждой упругой деформационной волны сопротивляться осевому смещению деталей.
Возможен случай, когда тело детали 2 деформируется упруго, но в зонах контакта у границ с канавками из-за концентрации контактного давления в материале возникает пластическая деформация, распространяющаяся на малую глубину. Материал охватывающей детали затекает в канавки, увеличивая несущую способность деформационных волн. Кроме того, увеличивается фактическая площадь контакта и, соответственно, сила трения. Этот вариант нагружения является предпочтительным. На рис. 2 показано соединение цилиндрической втулки 2 из фторопласта и стального вала 1, имеющего продольные канавки в виде лысок. На рисунке видно, что в результате пластической деформации материал втулки, образуя деформационную волну, вошел в канаку и частично заполнил ее.
Рис. 2.
Самый неблагоприятный вариант нагружения, когда в материале охватывающей детали возникает пластическая деформация, распространяющаяся на большую глубину и уменьшающая силу трения на площадках контакта. Несущую способность такого соединения обеспечивают в основном деформационные волны, частично или полностью заполняющие канавки. И хотя несущая способность соединения уменьшается (по сравнению с предыдущим вариантом), она сохраняет работоспособность в отличие от гладкого цилиндрического соединения.
IV. Результаты экспериментов
Для исследования влияния геометрии стыка на несущую способность цилиндрических соединений с кольцевыми канавками был проведен натурный эксперимент [6, 7]. Испытывались соединения, модифицированные одной и несколькими канавками на поверхности сопряжения вала. Основные параметры соединений: d = 40 мм; d2 = 70 мм; 12 = 40 мм. Материал вала - сталь 45Х, втулки - сталь 45. Детали подвергались нормализации и закалке соответственно, что позволило обеспечить поверхностную твердость от 106 до 520 единиц по шкале Бри-нелля. В каждую пару детали подбирались так, чтобы твердость посадочной поверхности вала на 60...100 единиц по Бринеллю превышала поверхностную твердость втулки. Требуемая чистота посадочных поверхностей обеспечивалась их шлифованием. В соединениях с одной канавкой, расположенной симметрично по отношению к границам стыка, размер 1К был равен 5 мм, 10 мм, 20 мм. В соединениях, модифицированных несколькими канавками, ширина последних и их количество подбирались так, чтобы величина номинальной площади контакта составляла не менее 40...50 % геометрической площади стыка. Глубина канавок - 0,05 мм. Соединения собирались термическим способом. Прочность соединения оценивалась величиной максимального усилия распрессовки, соответствующего началу относительного смещения. Использовался гидравлический пресс 2ПГ-50.
Результаты испытаний приведены в табл. 1 и 2, где указано: количество канавок (п); размеры 1К и 1П; поверхностная твердость вала и втулки; натяг; величина усилия распрессовки (РР). Поскольку у испытуемых соединений был разный натяг, то для их сравнения по несущей способности использован критерий РРУ, равный отношению усилия распрессовки к натягу. В таблицах приведены значения этого критерия для каждого соединения и средняя его величина (РррУ) для каждой группы соединений.
ТАБЛИЦА 1
РЕЗУЛЬТАТЫ ИСПЫТАНИЙ СОЕДИНЕНИЙ, МОДИФИЦИРОВАННЫХ ОДНОЙ КАНАВКОЙ
№ варианта ПК 1К , мм 1П , мм НВ 6, мм Рр , кН Р , 1 РУ кН/мм Р ср 1 РУ ' кН/мм
Вал/втулка
1 Гладкое соединение - - 241/179 0,055 102,5 1863,6 2046,8
2 - - 269/207 0,045 94,7 2104,4
3 - - 269/187 0,034 70,4 2058,8
4 - - 235/174 0,048 103,7 2160,4
5 1 5 17,5 302/217 0,047 123,4 2625,5 2738,4
6 1 5 17,5 241/174 0,052 155,4 2988,5
7 1 5 17,5 269/183 0,042 107,1 2550
8 1 5 17,5 302/217 0,029 80,9 2789,7
9 1 10 15 286/207 0,047 135,0 2872,3 2785,2
10 1 10 15 286/212 0,046 136,1 2958,7
11 1 10 15 286/202 0,039 111,0 2846,2
12 1 10 15 286/196 0,052 128,1 2463,5
13 1 20 10 241/183 0,042 168,1 4002,4 3894,7
14 1 20 10 302/248 0,041 129,4 3156,1
15 1 20 10 235/183 0,046 196,0 4260,9
16 1 20 10 241/179 0,042 174,7 4159,5
ТАБЛИЦА2
РЕЗУЛЬТАТЫ ИСПЫТАНИЙ СОЕДИНЕНИЙ, МОДИФИЦИРОВАННЫХ НЕСКОЛЬКИМИ КАНАВКАМИ
№ варианта ПК 1К , мм 1П , мм НВ 6, мм Рр , кН Р , 1 РУ кН/мм Р ср 1 РУ ' кН/мм
Вал/втулка
1 Гладкое соединение - - 255/187 0,043 72,42 1684,9 1659,3
2 - - 255/187 0,063 90,35 1434,1
3 - - 313/223 0,067 101,5 1514,9
4 - - 241/163 0,057 114,2 2003,5
5 2 10 6,67 302/235 0,066 134,4 2036,4 2201,9
6 10 6,67 302/223 0,053 98,2 1852,8
7 10 6,67 313/223 0.044 112,45 2555,7
8 10 6,67 286/217 0,051 120,5 2362,7
9 4 5 4 321/235 0,058 151,9 2619,0 2601,5
10 5 4 302/196 0,055 134,45 2444.5
11 5 4 321/223 0,063 158,45 2515,1
12 5 4 269/202 0,051 144,2 2827,4
13 8 2,26 2,44 302/228 0,056 149,1 2662,5 2408,1
14 2,26 2,44 296/207 0,070 162,4 2320,0
15 2,26 2,44 255/196 0,054 121,5 2250,0
16 2,26 2,44 302/228 0,056 134,4 2400,0
17 16 1,44 1,0 302/235 0,064 91,35 1427,3 1716,7
18 1,44 1,0 302/223 0,062 116,2 1874,2
19 1,44 1,0 321/248 0,056 102,25 1825,9
20 1,44 1,0 269/207 0,056 97,4 1739,3
V. Обсуждение результатов Результаты испытаний показывают, что с увеличением ширины канавки (табл. 1) критерии р и РУ увеличиваются, следовательно, возрастает и несущая способность соединения.
В соединениях с несколькими канавками (табл. 2) влияние размера 1К на прочность посадки неоднозначно. Сравнение этих соединений по критериям Р и РУ показывает, что введение в стык двух канавок шириной
РУ РУ
10 мм позволило в среднем увеличить этот показатель по сравнению с гладким соединением примерно на 32 %, четырех канавок по 5 мм на 57 %, восьми канавок шириной 2,26 мм на 45 %, а 16 канавок шириной 1,44 мм только на 4 %.
Дополнительное исследование всех этих соединений с использованием аналитической расчетной модели, описанной в [7], позволяет сделать следующее заключение. В соединениях с одной канавкой шириной 5 мм
и 10 мм материал втулки работает в упругой зоне, а при 1К = 20 мм в ее материале вблизи канавки возникает
пластическая деформация, распространяющаяся на малую глубину и упрочняющая соединение.
В соединениях, имеющих 2, 4 и 8 канавок на посадочной поверхности вала, материал втулки работает в упругопластическом режиме нагружения. В соединениях, имеющих в стыке 16 канавок, во всех парах, как показал расчет, контактное давление превысило величину, при которой в материале возникает опасная пластическая деформация, снижающая прочность посадки. Несущую способность этих соединений обеспечивают в основном деформационные волны.
VI. Выводы и заключение
Модификация стыка путем изготовления на поверхности сопряжения одной из соединяемых посадкой деталей (предпочтительно охватываемой) канавок малой глубины является эффективным способом увеличения несущей способности соединений с гарантированным натягом. Предлагаемое изменение макрогеометрии стыка - реальный способ восстановления статической прочности рассматриваемых соединений при выполнении ремонтных работ.
Прочность соединения с модифицированной поверхностью сопряжения обеспечивается силой трения между контактирующими поверхностями на площадках контакта и способностью каждой деформационной волны сопротивляться относительному смещению деталей. Чем шире канавка, тем больше несущая способность деформационной волны.
Канавки являются концентраторами контактного давления, которое при нерациональной макрогеометрии стыка может стать причиной появления в материале опасных пластических деформаций и разупрочнения соединения.
Свойства соединений, модифицированных канавками, зависят от формы, размеров, положения канавок и их количества. Результаты натурного эксперимента показали, что изменением макрогеометрии стыка можно увеличить их статическую несущую способность на (32-90) %.
Для соединений с натягом, модифицированных канавками, предпочтительным является режим работы, при котором в материале детали с гладкой поверхностью сопряжения возникают упругопластические деформации. Даже при возникновении опасных пластических деформаций соединение (в отличие от гладкого) сохраняет работоспособность.
Список литературы
1. Кобрин М. М. Прочность прессовых соединений при повторно-переменной нагрузке. М.: Машгиз, 1954. 204 с.
2. Берникер Е. И. Посадки с натягом в машиностроении. М.; Л.: Машиностроение, 1966. 168 с.
3. Зенкин А. С. Технологические основы сборки соединений с натягом. М.: Машиностроение, 1982. 50 с.
4. Балацкий Л. Т. Прочность прессовых соединений. Киев: Техника, 1982. 152 с.
5. Лукашевич Г. И. Прочность прессовых соединений с гальваническими покрытиями. Киев: Гостехиздат, 1962. 61 с.
6. Бородин А. В., Волков В. М. Рязанцева И. Л. Высоконагруженные соединения с гарантированным натягом для локомотивов. Омск: Русь, 2011. 166 с.
7. Рязанцева И. Л. Теория и проектирование соединений с гарантированным натягом. Омск: ОмГТУ, 2015. 164 с.
УДК 621.646.2
РАСЧЕТ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ РЕГУЛЯТОРОВ ДАВЛЕНИЯ С ЗАПОРНО-РЕГУЛИРУЮЩИМИ
ЭЛЕМЕНТАМИ ИЗ ЭЛАСТОМЕРА
В. В. Сыркин1, В. А. Трейер2, И. В. Забегайло2
'Омский государственный технический университет, г. Омск, Россия 2Омский автобронетанковый инженерный институт, г. Омск, Россия
DOI: '0.25206/23'0-9793-20'7-5-'-56-6'
Аннотация — Рассматривается методика расчета гидравлических регуляторов давления прямого действия, содержащих запорно-регулирующий элемент, выполненный из эластомера. При определении геометрических параметров регулятора учитывалось влияние динамических процессов на конструктивные параметры регуляторов (жесткость, масса запорно-регулирующего элемента и др.)
Ключевые слова: регулятор давления, запорно-регулирующий элемент, эластомер, динамический процесс регулятора, автоколебание.
