CC BY
110
УДК 629.114.2 (076).
НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРИ КАЧЕНИИ С ПРОТИВОДЕЙСТВУЮЩИМ МОМЕНТОМ
о
С.И. Каратушин1, Н.А. Бильдюк2, Ю.А. Плешанова
12 4
, , Балтийский государственный университет (БГТУ) «ВОЕНМЕХ» им. Д.Ф. Устинова
190005, Санкт-Петербург, ул. 1-я Красноармейская, д. 1 3Санкт-Петербургский государственный университет сервиса и экономики (СПбГУСЭ),
191015, Санкт-Петербург, ул. Кавалергардская, 7, лит. А;
Анализируется напряженно-деформируемое состояние (НДС) в контакте пары качения с тормозным моментом без проскальзывания. Задача решается с применением программы А№УЯ. Оценивается влияние цементации и остаточных напряжений.
Ключевые слова: контактные нагрузки, качение, НДС, цементация, остаточные напряжения,
АШУЯ.
THE STRESS-STRAIN STATE OF THE ROLLING WITH OPPOSING POINTS
S.I. KapaTymHH, N.A. EuflbgroK, Yu.A. Pleshanova
The Baltic state university (BGTU) "VOYENMEKH" of D.F. Ustinov 190005, St. Petersburg, 1st Krasnoarmeyskaya St., 1 St.-Petersburg state university of service and economy (SPbSUSE), 191015, St.-Petersburg, streetKavalergardsky, 7 A. Analyzed the stress-strain state (SSS) in contact with a pair of roller brake torque without slipping. The problem is solved using the program ANSYS. The influence of hardening and residual stresses.
Keywords: Contact load, rolling, VAT, cementation, residual stresses, ANSYS.
Контактные нагрузки, возникающие в процессе эксплуатации от тел качения, например, в подшипниках качения, в паре колесо-рельс, зубчатых зацеплениях, кулачковых механизмах и других подобных парах трения приводят в результате к разрушению поверхностей контактной пары. Наиболее характерными видами разрушения являются питинг и отслаивание [1]. Существует несколько точек зрения по поводу возникновения этих дефектов [2, 3, 4]. Если не вдаваться в металлургическую природу материала и структурную однородность, то главным фактором, определяющим ресурс работы пары трения, будет напряженно-деформированное состояние (НДС) в зоне контакта. Здесь значительную роль играют дефекты (неметаллические включения, пористость, структурная неоднородность и др.), попадющие в зону действия опасных напряжений. Они становятся инициаторами развития процесса разрушения. Скорость разрушения будет определяться сложившейся картиной НДС. Моделирование НДС в зоне контакта при различных режимах качения дает возможность оценивать нагрузочную способность рассматриваемой контактной пары.
Создание в поверхностном слое дорожки качения сжимающих напряжений, как пока-
зывает опыт, благоприятно сказывается на работоспособности механизмов, использующихся в качестве основного вида передачи нагрузки качением. В работе поставлена задача: проанализировать влияние цементации на НДС в зоне контакта на примере модели роликового подшипника. Качение ролика по внутреннему кольцу модели подшипника рассматривается для цементованной и нецементованной поверхностей с наложением противодействующего момента. Поставленная задача решается с помощью программного модуля АКЯУЯ. Методика расчетов в А№УЯ по заданию граничных условий рассмотрена авторами в более ранних работах [5, 6, 7]. Цементация выбрана как один из наиболее эффективных способов создания в поверхности сжимающих напряжений, обеспечивающих необходимую толщину упрочненного слоя с достаточно плавной границей перехода. Объемная модель подшипника создана в программе «Компас» в виде сектора с углом для уменьшения объема вычислений и транслирована в А№УЯ. Диаметр ролика задан - 10 мм, радиус кривизны поверхности внутреннего кольца - 50 мм. Толщина цементованного слоя - 1 мм, а толщина колец - 10 мм. Концентрация углерода в исходном состоянии - 0,2 %, в цементованном слое - 0,8 %. Остальные данные
необходимые для расчетов используются из работ [8, 9]. Для исключения влияния торцевых поверхностей модели подшипника распределение напряжений рассматривается в плоскости, перпендикулярной оси подшипника и проходящей через его середину. Внутреннее кольцо закрепляется неподвижно, а радиальная нагрузка, усилие качения и тормозной момент прикладывается к ролику. Момент противодействующий качению в пределах 10^100 Н м.
Рассматриваемая в работе схема приложения сил соответствует таким практическим примерам, как сцепление ведущего железнодорожного колеса с рельсом или автомобильного с дорогой. Ролик в модели подшипника является ведущим звеном. На рис. 1 представлены результаты расчета для двух вариантов: цементованная поверхность качения и нецементованная. Для цементованной поверхности величина остаточных нормальных тангенциальных (ах, сжимающих) напряжений составляет 600^650 МПа. Общая картина распределения нормальных тангенциальных напряжений, как видно из рис. 1, получается довольно сложной. Непосредственно под пятном контакта напряжения минимальны. Области сжимающих и растягивающих напряжений соседствуют друг с другом. Максимумы растягивающих и сжимающих напряжений в поверхностном слое толщиной 0,05 ^ 0,1 мм, как видно из рис. 2, сдвинуты от пятна контакта примерно на 1^2 мм.
С увеличением глубины до 1 мм напряжения существенно снижаются и влияние контактных нагрузок нивелируется. При наличии цементованного слоя “синусоида” изменения контактного напряжения опускается вниз по оси ординат и напряжения ах остаются все время сжимающими как непосредственно на поверхности, так и в глубине. Что касается радиальных нормальных напряжений, то характер их изменения (рис. 3), как для цементованной поверхности, так и для нецементованной, один и тот же и цементация приводит только к росту сжимающих напряжений. График иллюстрирует изменение напряжений в тонком поверхностном слое.
Упрочнение поверхности цементацией не оказывает существенного влияния на распределение касательных напряжений аж (рис. 4). График имеет почти симметричный вид относительно оси, проходящей через точки центра тела качения и пятно контакта. Минимум касательных напряжений приходится на пятно контакта. По мере удаления от поверхности контакта величина а,, увеличивается, проходя через максимум.
Рисунок 1. Первичные результаты расчета для модели роликового подшипника: а) - нецементованная поверхность, нормальные тангенциальные напряжения; б) - нецементованная поверхность, нормальные радиальные напряжения; в) - цементованная поверхность, нормальные тангенциальные напряжения; г) - цементованная поверхность, нормальные радиальные напряжения
Использование программного комплекса А№У8 позволило достаточно полно проанализировать НДС в зоне контакта тела каче-
ТЕХНИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ СЕРВИСА №4(26) 2013
43
ния с учетом остаточных напряжении от цементации.
Рисунок 2. Распределение тангенциальных напряжений ах по поверхности качения для
цементованной и нецементованнои дорожек
Рисунок 3. Распределение радиальных напряжений ov по поверхности качения
цементованная поверхность |
\ Qj
/ '■*
/ ^
/ ^
расстояние по поверхности качения от пятна контакта, tin
CTss
-200
--100
Рисунок 4. Распределение касательных напряжений aSS по поверхности качения
Цементация дорожки качения приводит к устранению растягивающих нормальных тангенциальных напряжений в поверхностном слое в режиме качения, когда тело качения является ведущим.
С увеличением момента, прикладываемого к телу качения, возрастают нормальные радиальные напряжения. Градиент этих напряжений достаточно велик.
Цементация увеличивает долю сжимающих напряжений. Тонкий поверхностный слой в отсутствии цементации нагружается в режиме симметричного цикла. Такое НДС поверхностного слоя будет приводить к отслаиванию. Что касается питинга, то тут основная роль принадлежит различного рода дефектам металлургического производства [4] и в первую очередь неметаллическим включениям. Уровень напряжений в глубине значительно ниже, чем на поверхности.
Литература
1. Морозов Е.М., Зернин М.В. Контактные задачи механики разрушения. Изд. 2-е. М.: Книжный дом «Либроком», 2010. 544 с.
2. Колесников Ю.В., Морозов Е.М. Механика контактного разрушения. М.: Наука, 1988. 224 с.
3. Шур Е.А. Повреждения рельсов. Интертекст, 2012. 192 с.
4. Сталь на рубеже столетий. Колл. авторов. Под научной редакцией Ю.С. Карабасова. «МИСИС», 2001. 664 с.
5. Каратушин С.И., Спиридонов Д.В., Плешанова Ю.А., Моделирование остаточных напряжений при цементации. Известия ВУЗов. Машиностроение. 2012. № 3. С. 49-52.
6. Каратушин С.И., Спиридонов Д.В., Плешанова Ю.А. Влияние цементации на остаточные напряжения в зубчатом зацеплении. Физика и химия обработки материалов. 2013. № 3. С. 79 - 81.
7. Каратушин С.И. Спиридонов Д.В. Плешанова Ю.А.Остаточные напряжения в цилиндрических изделиях. Металловедение и термическая обработка металлов. 2013. № 6.
8. Лысак Л.Н., Николин Б.Н. Физические основы термической обработки стали. Техника. 1975. 304 с.
9. Огородникова О.М. Конструкционный анализ в среде А№У8. Екатеринбург: УГТУ, 2004. 56 с.
1 Каратушин Станислав Иванович - кандидат технических наук, доцент кафедры "Детали машин" БГТУ, "ВОЕНМЕХ" им. Д.Ф. Устинова, моб.: +7 921 349 40 62, e-mail: [email protected];
2Бильдюк Николай Алексеевич - старший преподаватель кафедры "Техническа механика", СПбГУСЭ, моб.: +7 911 965 08 23, e-mail: [email protected];
3Плешанова Юлия Андреевна - аспирант кафедры «Детали машин» БГТУ «Военмех» им. Устинова, моб.:+7 (921) 556 68 40, e-mail: jylia [email protected].
