CC BY
13
УДК 629.083
Никита Андреевич Землянушнов, инженер, аспирант кафедры технической эксплуатации автомобилей, ФГАОУ ВО «Северо-Кавказский федеральный университет» e-mail: nikita3535@mail.ru
Надежда Юрьевна Землянушнова, кандидат технических наук, доцент кафедры технической эксплуатации автомобилей, ФГАОУ ВО «Северо-Кавказский федеральный университет» e-mail: zemlyanushnova@rambler.ru
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКОЙ ЗАВИСИМОСТИ СИЛОВЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ПРУЖИН СЖАТИЯ ОТ НАГРУЗКИ ИХ УПРОЧНЕНИЯ ПРИ ВОССТАНОВЛЕНИИ
Актуальность исследуемой проблемы обусловлена потребностью предприятий по ремонту техники в разработке технологий по восстановлению и упрочнению высоконагруженных винтовых цилиндрических пружин сжатия.
Цель работы заключается в представлении методики определения теоретической зависимости силовых характеристик пружин сжатия от нагрузки их упрочнения при восстановлении.
В статье описан новый способ восстановления пружин из упрочненной проволоки с использованием низкотемпературной термомеханической обработки и контактного заневоливания. Представлены результаты экспериментальных работ по восстановлению силовых характеристик пружин по новому способу на примере внутренней пружины клапана двигателя внутреннего сгорания. Теоретически получены зависимости силовых характеристик пружины от нагрузки её упрочнения при восстановлении.
Результаты исследований рекомендуется использовать при разработке технологии восстановления дорогостоящих пружин из упрочненной проволоки с применением низкотемпературного термомеханического упрочнения и контактного заневоливания.
Ключевые слова: упрочнение пружин, восстановление пружин, контактное заневоливание, силовые характеристики пружин.
Неблагоприятные условия при работе пружин в автомобильной технике приводят к осадке, к развитию скрытых дефектов металла пружин и к их разрушению. Снижение нагрузки может достигать до 10 % и более и превысить допускаемые отклонения до двух раз [3]. Предприятиям, специализирующимся на ремонте техники, необходимы новые технологии по восстановлению и повышению ресурса высоконагруженных винтовых цилиндрических пружин сжатия.
Для решения поставленной задачи разработан способ и приспособления для восстановления пружин сжатия из упрочненной проволоки (патентиро-ванной или закаленной и отпущенной пружинной проволоки) с использованием низкотемпературной термомеханической обработки и контактного за-неволивания [3]. Способ осуществляют следующим образом. Нагретую пружину до температуры отпуска растягивают с шагом, превышающим шаг готовой пружины, производят отпуск в растянутом состоянии неостывшей пружины и выдерживают в растянутом состоянии до остывания. Затем производят дробемётный наклёп, выполняют контактное заневоливание пружины осевой нагрузкой в пределах 10.. .300.Рз - сила сжатия пружины до соприкосновения витков).
Используемые при этом операции растяжения нагретой пружины, отпуск и её охлаждение в растянутом состоянии относятся к методам термомеханической обработки, приводящим к образованию
особой структуры и субструктуры мартенсита и бейнита, в результате чего сталь приобретает высокие механические свойства [9]. А благодаря операции контактного заневоливания происходит пластическое упрочнение пружины [10]. Упрочненные таким образом пружины сохраняют свою силовую характеристику в течение длительного срока эксплуатации [2].
Типичными представителями высоконагружен-ных и компактных пружин из упрочненной проволоки являются внутренние клапанные пружины двигателей внутреннего сгорания автомобилей ВАЗ (рисунок 1), которые и были выбраны для экспериментальных исследований. Пружины клапанов должны иметь высокое сопротивление усталости в многоцикловой области и высокое сопротивление релаксации и ползучести при повышенных температурах [5]. Незначительные нарушения режимов упрочняющей обработки либо некачественный металл пружин отражаются на их эксплуатационных свойствах. Пружины разрушаются на испытательных стендах, в двигателях или не выдерживают испытаний на релаксационную стойкость [2].
Внутренняя пружина клапана 2101-1007021 имеет следующие характеристики: средний диаметр пружины Б = 20,3 мм [6]; высота в свободном состоянии /0 = 41,9 мм (справочный размер); полное число витков / = 6,5; рабочее число витков 1рсб = 4,5; диаметр поперечного сечения витка пружины d = 2,7 мм; материал пружины - проволока
Рисунок 1. Внутренняя пружина клапана 2101-1007021 (Примечание: ^ и Г2 - нагрузка соответственно предварительного поджатая и рабочая, Н; 11, 12, 13 - высота пружины при предварительном поджатии, при рабочей нагрузке и при сжатии до соприкосновения витков, мм)
2,7 - 70ХГФА-Ш ТУ 14-4-1380-86 (С^а 60); шаг рабочих витков пружины / = 8 мм; модуль упругости первого рода Е = 2,10х105 МПа; коэффициент Пуассона ¡л = 0,3; модуль упругости второго рода О = 8,077х104 МПа; предел текучести материала пружины ат = 1374 МПа; ^ = 310 Н [3].
Кроме соответствия геометрическим и силовым характеристикам клапанные пружины должны вы-
держать форсированные испытания на стойкость к циклическим нагрузкам в количестве 6х106 циклов на сжатие от 10 до 12 с частотой не менее 25 с-1 [3].
В таблице 1 приведены операции и оборудование, разработанные по новому способу [3] технологии восстановления силовых характеристик клапанных пружин 2101-1007021 двигателя автомобиля ВАЗ.
Таблица 1. Операции технологии восстановления клапанных пружин 2101-1007021
№ п/п Описание операции Примечания, оборудование
1 Контрольная операция: 12 = 20 мм, F2=275,4±13,7 Н Весы TLS-S-2000, фирмы «TIME»
2 Испытания на выносливость циклическим нагрузкам 6х106циклов Стенд СБН 0121
3 Промывка (обезжиривание)
4 Контрольная операция: 12 = 20 мм, F2=275,4±13,7 Н Весы TLS-S-2000, фирмы «TIME»
5 Нагрев на оправке: Г=420°С (температура нагрева), время нагрева 15 мин Печь лабораторная
6 Растягивание пружины. Высота рабочей части пружины 45 мм Приспособление для растяжения пружин
7 Отпуск на оправке: Г=400°С, время отпуска 30 мин. Высота рабочей части пружины 45 мм Печь лабораторная
8 Дробеметная обработка: ДСЛ-0,5 (прогиб контрольной пластинки 0,3 мм). Установка 6GT8,5 - 10R фирмы «Carlo Banfi»
9 Заневоливание нагрузкой 12400 Н (40^) Приспособление для контактного заневоливания пружин
10 Контрольная операция: 12 = 20 мм, F2=275,4±13,7 Н Весы TLS-S-2000, фирмы «TIME»
11 Испытания на выносливость циклическим нагрузкам 10,5х106 циклов Стенд DV8-S2, фирмы«Gejrg Reicherter»
12 Контрольная операция: 12 = 20 мм, F2=275,4±13,7 Н Весы TLS-S-2000, фирмы «TIME»
На АО «Белебеевский завод «Автонормаль» была отобрана партия пружин 2101-1007021 в количестве 24 штук. Работа выполнена в рамках программы СТАРТ при поддержке фонда содействия иннова-
циям и сотрудников предприятия АО «БелЗАН». Результаты экспериментальных работ по восстановлению силовых характеристик пружин по новой технологии (таблица 1) представлены в таблице 2.
Таблица 2. Результаты экспериментальных работ по восстановлению силовых характеристик Н, пружин клапана 2101-1007021
До испы- После испытания После восстановления После повторного
№ п/п тания 6х106циклов 10,5х106 циклов
f2, н f2, н af2/f2, % f2, н af2/f2, % т2, МПа f2, н af2/f2, %
1 274,2 272,6 0,6 276,8 -1,5 873,0 271,8 2,0
2 280,2 267,0 4,7 276,0 -3,4 870,0 272,0 1,5
3 284,6 281,0 1,3 278,4 0,9 878,0 276,2 0,8
4 273,0 268,2 1,8 276,4 -3,0 871,0 272,8 1,3
5 273,4 267,0 2,3 272,4 -2,0 859,0 273,0 -0,2
6 280,8 273,4 2,6 281,6 -3,0 888,0 276,0 2,0
7 276,0 270,0 2,2 273,4 -1,3 862,0 269,4 1,5
8 276,0 268,2 2,8 274,2 -2,2 864,0 272,8 0,5
9 272,6 266,8 2,1 272,2 -2,0 859,0 266,8 2,0
10 277,0 270,6 2,3 280,6 -3,7 885,0 275,0 2,0
11 279,8 274,6 1,9 277,6 -1,1 875,0 273,0 1,7
12 278,4 272,8 2,0 279,4 -2,4 881,0 273,4 2,1
13 279,4 274,6 1,7 274,2 0,1 864,0 271,6 1,0
14 271,2 267,8 1,3 274,6 -2,5 866,0 271,0 1,3
15 285,4 278,6 2,4 277,6 0,4 875,0 274,0 1,3
16 278,2 270,8 2,7 277,0 -2,3 873,0 271,2 2,1
17 273,0 265,8 2,6 273,4 -2,9 862,0 270,4 1,1
18 278,0 272,0 2,5 288,2 -6,0 909,0 281,0 2,5
19 272,8 267,0 2,1 276,0 -3,4 870,0 269,0 2,5
20 282,0 276,8 1,8 271,6 1,9 856,0 265,2 2,4
21 271,8 268,6 1,2 266,6 0,7 840,0 262,4 1,6
22 271,6 265,0 2,4 275,8 -4,1 870,0 270,4 2,0
23 274,6 269,2 2,0 271,4 -0,8 856,0 266,2 2,0
24 284,6 279,4 1,8 279,2 0,1 880,0 276,0 1,1
min 271,2 265,0 0,6 266,6 0,1 840,0 262,4 0,5
max 285,4 281,0 4,7 288,2 -6,0 909,0 281,0 2,5
X 277,0 271,2 2,1 276,0 -1,8 870,3 271,7 1,6
R 14,2 16,0 4,1 21,6 6,1 69,0 18,6 2,0
Примечание: знак «-» показывает, что сила пружины увеличилась; т2 - напряжения кручения в пружинах
при нагрузке f2, МПа; Х - среднее арифметическое значение; min - минимальное значение выборки;
max - максимальное значение выборки; R - размах рассеивания.
С целью проведения циклических испытаний при сжатии от 10 до 12 восстановленные по новой технологии пружины были установлены на стенд резонансного типа DV8-S2 фирмы «Gejrg Reicherter». Испытания были остановлены после 10,5х106 циклов (таблица 2). Это в 1,75 раза превышает принятую для пружин норму в количестве 6х106 циклов. Все пружины прошли испытания без недопустимых осадок [3]. Ресурс восстановленных пружин оказался не меньше, чем у новых.
Основными характеристиками клапанных пружин являются их силовые характеристики ^ и ¥2, Н, поэтому актуальной является задача определе-
ния теоретической зависимости силовых характеристик пружин от нагрузки их упрочнения при восстановлении.
Известна зависимость для определения величины упругого ядра в поперечном сечении витка пружины [4]
3-
+
+ 3-
О"™
\ ту
<r-y0Kf +
С'Уок
(1),
(л2 +b2 ~y0K2J '(7т
= 1
где Лк - приращение кручения витка пружины, дится в виде положительного корня из уравнения,
мм-1;
х0, у0к - координаты точек (рисунок 2), принадлежащих границе упругой зоны, мм;
ат - предел текучести материала пружины, МПа;
г - радиус витка пружины, мм; Ь - полуширина полоски контакта витков, мм; X - эллиптическая координата [7], которая нахо-
Ь2+Л
- +
Уок
С =
А2.Ъа\Ь2+Л)
, постоянная
(2),
, 1,727-2?
Л =- (3).
л-г у '
Рисунок 2. Сечение витков пружины при контактном заневоливании (Примечание: а) витки сжатой пружины; б) сечение витка пружины: Б0сж - средний диаметр сжатой пружины, мм; Ясж - радиус сжатой пружины, мм; исж - расстояние от оси пружины до абсциссы границы упругой зоны, мм; d - диаметр витка пружины, мм; х0, у0, у0к - координаты точек, принадлежащих границе упругой зоны при контактном заневоливании, мм)
Выражения для определения напряженного состояния витков пружин при контактном заневоли-вании [4]:
Х1 - эллиптическая координата, мм2, которая находится в виде положительного корня из уравнения
(Ту =Х
Е-Уок*
+
' з з Л (4)
X У -X
Ак^в-
Щ-у
1кр
(5),
Х =
х1 =
1,727-6
л-г
Ь2+Я
1,727-б2 Ь2+Л1
к-г
к
(6),
(7).
Е\ - модуль упрочнения материала пружины, МПа;
2 2
(8);
где оу - сжимающие виток пружины вдоль оси «у» напряжения, МПа;
х, у - координаты точки пластической зоны, в которой определяются значения напряжений, мм; ткр - напряжения кручения, МПа; 2 - величина, характеризующая глубину пластического упрочнения по сечению витка пружины
[7].
Крутящий момент в пружине при контактном заневоливании [4]
Мяр=\тяр'РОБ =
А к-в-
-I-
(9),
где £ - площадь поперечного сечения витка, мм2; р - полярный радиус исследуемой точки сечения витка, мм.
Приращение диаметра пружины, мм, [4]
2
мм
AD =
D2 sin а
cosa
Ах- —
32-М,
G-л-а -К
(10),
A(sina) = ^--cosa
Ах:
Ах"2
(11),
Изменение высоты рабочей части пружины [4]
Мраб, ММ,
V — — — "V
где К - коэффициент, учитывающий разницу между средним приращением кручения волокон проволоки и приращением кручения оси проволоки пружины при первоначальном сжатии из-за разных углов подъема волокон в разных точках сечения витка [4].
Изменение синуса угла наклона витков пружины при осадке [4]
D
ЫРаб =V'T'«)sa
А к-
32-М„
G-n-d. -К
(12),
где Ьраб - длина развертки рабочей части пружины, мм.
Используя зависимости (1...12), в программе MathCAD, проведено теоретическое исследование изменения геометрических характеристик пружины 2101-1007021 (l0, D, cosa) при нагрузке упрочнения 0.. ,50f3, установлена величина упругого ядра
где Лк2 - приращение кручения оси пружины dуrlр, мм, проволоки пружины. Результаты представ-
при разгрузке, мм-1
лены в таблице 3.
Таблица 3. Характеристики упрочненных пружин 2101-1007021 в зависимости от нагрузки контактного заневоливания
Характеристики пружины Нагрузка контактного заневоливания, Н
0 10f3 20f3 30f3 40f3 50f3
0 3100 6200 9300 12400 15500
1раб, мм 38,569 38,519 38,373 38,143 37,841 37,486
l0, мм 41,769 41,719 41,573 41,343 41,041 40,686
dy„p, мм 1,704 1,702 1,698 1,690 1,678 1,664
d, мм 20,418 20,419 20,422 20,428 20,434 20,443
l0 - l1, мм 12,069 12,019 11,873 11,643 11,341 10,986
l0 - l2, мм 21,769 21,719 21,573 21,343 21,041 20,686
cosa 0,991116 0,991116 0,991116 0,9912497 0,9913824 0,991514
f1, Н 164,592 163,886 161,824 158,613 154,425 149,453
f2, Н 296,876 296,151 294,03 290,757 286,505 281,411
Зная геометрические характеристики упрочненных пружин (l0, d, cosa) и их деформацию l0 - l1 и l0 - l2 , при предварительном поджатии и рабочей нагрузке соответственно (рисунок 1) по формуле инженера Сажина (13), рекомендуемой для расчета пружин [1], определены силы F1 и F2, возникающие в пружинах при указанных деформациях (таблица 3).
'о h —
64-Ffj?3,¿pa6 G-d*-cos3a
(13).
8-Х2 3-Х
1012 108 107
+ 296,88
(14).
По аналогии установлена зависимость нагрузки предварительного поджатия пружины F1 от нагрузки контактного заневоливания (15)
-3 8-х2 9-х
_ х
y~w
10°~+10°
+ 164,59
(15).
При определении рабочей нагрузки упрочненной пружины F2 разница между теоретическими (таблица 3) и экспериментальными исследованиями (таблица 2) при нагрузке упрочнения 40Fз составила 3,8 %. При определении нагрузки предварительного поджатия упрочненной пружины Fl разница между теоретическим значением (таблица 3) при нагрузке упрочнения 40Fз и значением по требованию чертежа (рисунок 1) составила 13,4 %.
По данным таблицы 3 построен график зависимости рабочей нагрузки пружины F2 от нагрузки контактного заневоливания при восстановлении (рисунок 3). При исследовании графика получено уравнение полиноминальной регрессионной линии. Величина достоверности аппроксимации Я2 = 1.
При восстановлении величина упругого ядра пружин (таблица 3) не выходит за пределы рекомендованного значения dупр > 0,5 d [8].
Выводы. Представлена методика определения теоретической зависимости силовых характеристик пружин сжатия от нагрузки их упрочнения при восстановлении.
Сравнительный анализ теоретически полученных зависимостей и результатов экспериментальных работ свидетельствует о возможности применения представленной методики для расчета силовых характеристик пружин сжатия при восстановлении. Результаты исследований рекомендуется использовать при разработке технологии восстановления дорогостоящих пружин из упрочненной проволоки с применением низкотемпературного термомеханического упрочнения и контактного заневоливания.
Нагрузка упрочнения пружин, Н
Рисунок 3. График зависимости рабочей нагрузки пружины от нагрузки контактного заневоливания при восстановлении
Литература
1. Батанов, М.В. Пружины / М.В. Батанов, Н.В. Петров. - Ленинград: Машиностроение, 1968. - 216 с.
2. Белков, Е.Г. Технология изготовления и упрочнения пружин: монография / Е.Г. Белков. - Челябинск: Издательский центр ЮУрГУ 2013. - 168 с.
3. Землянушнова, Н.Ю. Восстановление винтовых цилиндрических пружин сжатия: монография / Н.Ю. Землянушнова, Ю.М. Тебенко, Н.А. Землянушнов. - Ставрополь: АГРУС, 2012. - 88 с.
4. Землянушнова, Н.Ю. Расчёт винтовых цилиндриче ских пружин сжатия при контактном заневоливании: монография / Н. Ю. Землянушнова. - Ставрополь: АГРУС, 2008. - 136 с.
5. Крымчанский, И.И. Пружинная проволока в мировой и отечественной промышленности / И.И. Крымчанский // Пружины. - 2016. - № 1. - С. 19-26.
6. Лавриненко, Ю.А. Упрочнение пружин / Ю.А. Лавриненко, Е.Г. Белков, В.В. Фадеев. - Уфа: Изд. Дом «Бизнес-Партнёр», 2002. - 124 с.
7. Пономарев, С.Д. Расчёты на прочность в машиностроении. Т. II / С.Д. Пономарев, В.Л. Бидерман, К.К. Лихарев и др. - Москва: МАШГИЗ, 1958. - 974 с.
8. Пономарев, С.Д. К обоснованию размеров упругого ядра в заневоленных пружинах / С.Д. Пономарев // Известия высших учебных заведений. Машиностроение. - 1974. - № 10. - С. 24-27.
9. Рахштадт, А.Г. Пружинные стали и сплавы / А.Г. Рахштадт. - Москва: Металлургия, 1982. - 400 с.
10. Тебенко, Ю.М. Проблемы производства высокоскоростных пружин и пути их решения: монография / Ю.М. Тебенко. - Ставрополь: ООО «Мир данных», 2007. - 152 с.
