CC BY
13
УДК 621.833
М.В.Маргулис, А.В.Нечепуренко
РАЗРАБОТКА АНАЛОГОВ И МЕТОДИКА УСТАЛОСТНЫХ ИСПЫТАНИЙ ГИБКИХ КОЛЕС ВОЛНОВЫХ ЗУБЧАТЫХ ПЕРЕДАЧ
Одним из основных критериев работоспособности гибких колес волновых зубчатых передач (ГК ВЗП) является их усталостная прочность [ 1 ].
Определение параметров усталости, т.е. предела выносливости и построение кривой усталости, затруднительно теоретически, поскольку ГК подвергается сложному процессу нагружения, и практически - из-за высокой стоимости натурных образцов ГК и сложной схемы испытательного стенда.
Учитывая вышесказанное, целесообразно использование для испытаний на усталостную прочность ГК - аналогов.
Подобные испытания проводились в Красноярском политехническом институте, но в опубликованных работах не приводились сведения о расчете и обосновании формы аналогов, определении коэффициента подобия [ 2 ].
В связи с этим на кафедре "Технологии машиностроения" Приазовского государственного технического университета выполняются работы по созданию и методике проведения испытании на усталостную прочность ГК-аналогов.
В качестве аналога нами принята балка равного сопротивления изгибу, подвергающаяся повтори о-переменным нагрузкам на изгиб.
Рис.1 Липы аналогов гибких колес волновой зубчатой передачи
Нами предложено три различных типа аналогов рис. 1 : первый -гладкий образец, представляющий собой балку из 3-х участков: участок шириной а, переходящий череч участок равного сопротивления шгибу в участок шириной В. Сопряжение выполняется по радиусу галтели р; второй -тот же гладкий образец, но на него наплавляется слой металла шириной 5 и высотой II и в нем выполняется вырез высотой к и радиусом скруглеиия г , который соответствуем впадине на зубчатом венце ГК ВЗП; третий - повторяет
второй, но на наплавленном слое нарезаются зубья, что является подобием зубчатого венца ГК.
Все аналога имеют ярко выраженные концентраторы напряжений, а именно: в первом - галтель радиуса р, во-втором вырез глубиной h и радиусом г. в третьем - впадины зубчатого венца. Поэтому, расчет на усталость выполняется по методике расчетов элементов конструкции по опасному сечению с использованием теории вероятности. Такой подход позволяет
L
предложить зависимость параметра подобия при усталостном разрушении
G
от характерного размера L и относительного градиента главного основного
напряжения G по сечению. Это также дает возможность рассматривать функцию распределения пределов выносливости в зависимости от конструктивных и технологических факторов, что рассматривается далее [3,4].
В качестве характерного размера в предложенных аналогах принимаются: в первом - L ~ 2b, где Ь- толщина образца при переходе в галтель, во втором - L = 2 S, где S - ширина наплавленного слоя, в третьем -L =2 I, где i - шаг зубьев.
.Алгоритм расчета образцов-аналогов следующий [3, 4]:
1. Определяется значение теоретического коэффициента концентрации напряжений а5 . Для этого определяются отношения В/h ир/b (для I-го), / 1/Ъ и г/И (для 2-го), II/h и î/h (для 3-го) образцов-аналогов. По справочнику выбираются соответствующие значения ot s .
2. Определяется значение относительного градиента напряжений G :
^ 2,3 2 — 2 2
Сг =---- H— ( для ] -го аналога), G — —I— (для 2 - 3 -го аналогов);
р Ъ р И
3. Определяется логарифм параметра подобия lg - :
G
4. По справочнику находится значение чувствительности материала к концентрации напряжении VCT ;
L
5. По значениям — и v определяется значение вероятностной функции
G
{Ь>
6. Определяется отношение эффективного коэффициента концентрации напряжений К к коэффициент _ размеров , : ^ /
гЧ
7. Влияние обработки учитывается при помощи коэффициента р, который определяется в зависимости от характеристики мат^жала и вида обработки;
8. Определяется действительный коэффициент концентрации напряжений А'^
как: К ;
° £о Р
9. Среднее значение предела выносливости определяется как ач^ = —;
1
К
Определение общего коэффициента вариации выполняется в следующей последовательности [ 3 ]:
1. Определяется коэффициент вариации пределов выносливости детали О _
тал
^ -(1-10^)10^/2(^ + 10^),
где у, Л" - соответствующие коэффициенты, выбирающиеся по зависимостям с учетом материала и формы детали;
2. Определяется коэффициент вариации иа теоретического коэффициента
концентрации напряжений в зависимости от случайных колебании характерного размера детали;
3. Определяется коэффициент вариации предела выносливости иа ^ с учетом
рассеяния механических свойств материала. Как правило, он принимается равным коэффициенту вариации предела прочности материала; 4 Общий коэффициент вариации равен:
0-10 V ап
Исходя из этого , имеем а , - С ,
Нами при расчете аналогов принималось: материал аналога - сталь 10 ХСНД, Ь= 60 мм, 160 мм, р = 50 мм, 5 = 30 мм, Н - 4,5 мм, 3 мм, /•=0,6 мм, / = 4,8 мм.
Получены следующие результаты: дм 1-го типа аналогов - = 0,75а_,, для 2-го - = 0,35а_(, для 3-го -
а , =0,6о , .
-![, I
Зная величину предела выносливости материала аналога, можно перейти к выводу коэффициента подобия.
Возможны два пути решения данной проблемы: теоретический и практический.
В первом случае параметры усталости ГК рассчитываются на основании одной из ранее предложенных теорий напряженного состояния ГК [5, 6, 7 ), во втором - рассматриваются результаты ранее проведенных экспериментов по определению усталостных параметров [ 1, 2, 8 ] Целесообразно использовать оба метода для проверки одним другого.
Рис.2. Резонансная установка для испытаний на усталостную прочность образцов-аналогов гибких колес.
] .Электродвигатель. 2.Вибратор. З.Эксцентрих. 4.0бразец. 5-Зажимы.
Для ГК из стали 10 ХСНД - = 0,4о_,.
Коэффициент подобия определяется как отношение предела усталости образца-аналога к пределу выносливости ГК.
где Кпдд - коэффициент подобия.
Для рассматриваемых аналогов Ктд~ 0,53; 1,1; 0,6 соответственно, Используя данный коэффициент, ведется обработка полученных
экспериментальных данных.
Проведение усталостных испытаний возможно на различных установках резонансного типа с электрическим, электромагнитным или электромеханическим возбудителем колебаний.
Нами используется установка резонансного типа с электромеханическим возбудителем колебаний, представленная на рис.2.
Работа установки осуществляется следующим образом: аналог устанавливается в соответствующие зажимы, затем болтами к нему крепится вибратор, представляющий собой эксцентрик в опорах вращения. На образец в рабочем сечении наклеиваются тензодатчики, соединенные пайкой с клеммами тарировочного блока и затем через усилитель с осциллографом. С целью моделирования переходных режимов работы ГК изготавливается специальный блок управления работой электродвигателя через стабилизатор напряжения.
Сущность метода испытаний заключается в том, что предел выносливости, полученный экспериментальным путем на базе испытаний.
равной 3 - 107 циклов, экстраполируется на большую базу кривой усталости.
Для построения кривых усталости и определения пределов выносливости испытываю тся не менее 15 одинаковых образцов. Частота колебаний должна находиться в интервале 30 - 50 гц. Контроль рабочего напряжения в образце проводится визуально по соответствующей амплитуде колебаний до разрушения образца или снятия его с испытаний.
Рабочее напряжение на первый образец устанавливается равным половине предела текучести данного материала. Для последующих образцов рабочее напряжение устанавливается в зависимости от результатов испытаний предыдущего образца, увеличивая или уменьшая его величину.
Критерием разрушения служит визуальное обнаружение трещин или снижение частоты колебаний на 3 %.
Данная методика предусматривает испытание по методу ступенчато-возрастающих нагрузок (методу Локати ). Применение данного метода связано с испытанием значительного количества образцов. Поэтому рекомендуется использовать его в качестве проверочного, а нахождение предела выносливости производить по методу линейного увеличения нагрузок (методу Про-Нэдэшана), в этом случае испытывается 3 - 5 образцов.
Применение данных аналоговых испытаний позволит исследовать влияние на усталостную прочность ГК ВЗП различных факторов, а именно, геометрических параметров, точности и шероховатости поверхности детали, твердости материала ГК, поверхностного уплотнения зубьев и впадин между ними, переходных процессов и др., с наименьшими затратами и с достаточной степенью точности.
В настоящее время в лаборатории "Волновых передач" по изложенной методике проводятся экспериментальные исследования аналогов ГК ВЗП, о результатах которых будет сообщено в дальнейшем.
Библиографический список
1. Вилков Д.П., Крайнев Л.Ф., Mаргулис М.В. Волновые зубчатые передачи.-К.,Техника, ] 976 - 222 с.
2. Усталостная прочность образцов-аналогов гибких колес волновых зубчатых передач. Головин М.П., Турищев В.А. -Сб.тр. "Прочность и надежность деталей и узлов машин", Красноярск, 1978 - С.61-68.
3. Сервисен C.B., Когаев B.1L, Шнейдеровым P.M. Несушая способность и расчеты деталей машин на прочность. - М., Машиностроение, 1975. - 488 с.
4. Писаренко Г.С. Прочность материалов и конструкций. - К., Наукова думка, 1975 -520 с.
5. Маргулис М.В. Расчет на прочность гибкого колеса тяжелой агр уженной волновой зубчатой передачи с дисковым генератором.-/Детали машин, вып.№ 47. - К., Техника, 1988 - с. 45-52,
6. Маргулис М.В., Печепуренко A.B. Определение напряженного состояния гибкого колеса одноволновой передачи. - Деп. в ГНТБ Украины, 1994 - 14 с.
7. 1'удницкий В.И., Лучников Н.Ф. Напряженное состояние гибкого зубчатого колеса с дисковым генератором. - Проблемы прочности, 1973 - С. 94-97.
8. Голонин М.П. Исследование усталостной прочности гибкого колеса волновой зубчатой передачи. - Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук, - M., 1980.
9. Ускорение испытания изделий машиностроения на надежность. Вып. № 2. /под ред. В.Р.Верченко/ - М., 1969.- 274 с.
