CC BY
7
УДК 53 1/534
Е. К. ЛАЗАРЕВ
УПРОЧНЕНИЕ ОПОРНОЙ ПОВЕРХНОСТИ КРАТЕРА ЛИТЫХ ПОЛИМЕРНЫХ ПОДПЯТНИКОВ
Приведен способ упрочнения опорной поверхности кратера литых полимерных подпятников для аналоговых электроизмерительных приборов непосредственно в приборе. Установлено, что амплитуду ударных импульсов, возникающих при соударении кернов с подпятниками следует, выбирать из условия появления пластических деформации полимера, а амплитуду крутильных колебаний подвижной части следует выбирать из условия отсутствия износа полимерного материала.
Особенностью переработки пластических масс методом литья является большой уровень остаточных напряжений в деталях, релаксация которых вызывает изменение геометрических размеров отливок, так называемую усадку, а также ухудшение свойств материала на поверхности деталей, проявляющееся в виде коробления и микроразрывов структуры материала. Изменение геометрических размеров отливок учитывают при проектировании пресс- форм и литниковых систем. Ухудшение свойств материала на поверхностях деталей приводит к тому, что для литьевых полимерных подпятников необходима дополнительная обработка опорной поверхности кратера, цель которой состоит в стабилизации характеристик трения и получении упрочненного упругого слоя. Обработку целесообразно проводить непосредственно в приборе путем одновременного создания соударений кернов с подпятниками и вращательных движений подвижной части.
Так как керны выполняют из сплавов высокой твердости, а полимерный материал обладает по сравнению с ними большей пластичностью, то при указанном динамическом взаимодействии кернов с подпятниками выступы опорной поверхности, имеющие место после коробления и микроразрывов материала, меняют свою форму (сглаживаются), а полимерный материал в результате совокупного действия соударений и разогрева пограничного слоя из-за трения при вращательных движениях подвижной части подвергается наклепу. Эти процессы (наклеп и сглаживание микрогеометрии опорной поверхности) обеспечивают стабилизацию момента трения в опорах и создают упрочнение в зоне контакта, проявляющееся в том, что в пограничном слое материал подпятника из вязко-упругого состояния, характерного для полимеров, переходит в упругое и образует более прочный упругий слой, сообщающий опоре высокие механические характеристики.
Расчет режимов вибрационной обработки литьевых подпятников в приборе заключается в определении интенсивности соударений, амплитуды вращательных движений (крутильных колебаний) подвижной части и времени.
Наклеп - физический процесс изменения структуры и свойств материала в результате многократной локальной пластической деформации, после чего уменьшается пластичность и ударная вязкость, но повышается твердость и прочность поверхностного слоя. Поэтому амплитуды ударных импульсов, возникающих при соударении кернов с подпятниками, должны быть такими, чтобы вызывать появление пластических деформаций полимера в зоне контакта.
Амплитуду крутильных колебаний подвижной части следует выбирать из условия отсутствия износа полимерного материала. Для этого произведение давления в зоне контакта на скорость скольжения должно быть меньше допустимой величины, вполне определенной для большинства полимерных материалов, применяемых в узлах трения скольжения [1]. Из-за аналитических трудностей время обработки определяют экспериментально но стабилизации момента трения в опорах путем последовательного сообщения подвижной части вибрационных режимов движения и определения погрешности и вариации прибора от трения.
Износ полимерного материала из-за трения скольжения отсутствует, если
п Ц?г]7.........................."Ц)
где Р - давление в зоне контакта; V— скорость скольжения; [РУ] - величина, определяемая экспериментально для каждого полимерного материала и характеризующая его динамическую несущую способность [1].
Принимая контактное давление в керновой опоре с вертикальной осью вращения подвижной части [2]
где Р - вес подвижной части; Ь^,, - радиус зоны контакта:
ГпГ\
кх (3)
1 ГП ~ гк
и определяя линейную скорость скольжения в зоне контакта при крутильных колебаниях подвижной части с амплитудой и частотой й)
(4)
получим неравенство для нахождения амплитуды крутильных колебаний подвижной части, т.е.
М- (5)
рю
Для возникновения наклепа опорной поверхности величина ам внедрения керна в подпятник должна быть такой, чтобы возникающие при этом контактные напряжения превышали предел текучести и вызывали возникновение локальных пластических деформаций полимера в зоне контакта. Для этого необходимо, чтобы
где <зНР - разрушающее напряжение полимера при сжатии; г) - приведенный модуль упругости полимерной опоры; гп и гк — радиусы закругления подпятника и керна.
Уровни вибрационных ускорений, необходимые для выполнения условия (6), малы из-за малости свр и г\ для полимерных материалов, опорная поверхность которых не подвергалась упрочнению. Например, для литьевою полиамида
1М10 Е„-и-Ю-Д**, Ш.Принимая
Еп =2-10иН-м~2, \1К *0,3, гп - \5QMKM, ГК =50мкм, найдем приведенный модуль упругости опоры г\ = 6,9ТО 10м2-Н~'. Подставляя данные в неравенство (6), получим, что ам > 0,35 • 10 6м. Нетрудно убедиться, что это условие выполняется при уровнях виброускорений W0, больших 1 g. Для полиамидных подшипников скольжения [ ] = 31 Ш Им -с Принимая р = 6,5 • 10"3 Я, о) = 2тг • 100 рад/с, из условия (5) найдем ц/ < 0,141 рад.
Аппаратурная реализация вибрационного метода обработки опорных поверхностей литых подпятников непосредственно в приборе, учитывая малую интенсивность режимов, достаточно проста. Для создания соударений кернов с подпятниками может быть использован настольный вибростенд, а крутильные колебания подвижной части легко получить подачей электрического сигнала в рабочую обмотку прибора.
На рис. 1 изображена электрическая схема устройства, которое является аналогом, с некоторыми доработками, описанного выше.
Стенд (рис, 1) питается от источника питания со стабилизированным напряжением 12 В.
Резистором R9 задается напряжение на базе транзистора Q3 и определяется напряжение на обмотке двигателя MG1, соответственно задается частота вращения вала двигателя.
Груз, установленный на валу двигателя MG1, при вращении вала задает вибрацию этому двигателю, а следовательно, вибрацию всего стенда, так как двигатель жестко закреплен на станине устройства. Также на валу двигателя MG1 установлен флажок, который при вращении вала на 1/2 оборота перекрывает световой поток фотоэлемента и2. Вследствие этого напряжение на выводе 4 фотоэлемента и2 меняется с низкого на высокое. Это изменение напряжения задает частоту крутильных колебаний стрелки электроизмери-тельного прибора.
Транзистор Q2 и резистор R5 задают амплитуду крутильных колебаний стрелки. Транзистор Q1 и резистор R4 задают ток светодиода D1, являющегося индикатором работы схемы.
Рис. 1. Электрическая схема устройства, предназначенного для упрочнения кратера подпятника Также в схеме предусмотрена возможность задания частоты крутильных колебаний стрелки с помощью генератора.
Ключом SW1 производится переключение между задатчиками частоты крутильных колебаний. В положении 2-1 задатчиком частоты крутильных колебаний является электромотор MG1, в положении 2-3 задатчиком является генератор.
Генератор собран на элементах: Щ R2 и С1. Частота генератора
регулируется резистором Я2 в диапазоне от 15 Гц до 35 Гц.
Наиболее производительным и доступным методом реализации указанных режимов является введение в резонанс стрелочного указателя прибора. В этом случае подвижная часть совершает связанные крутильные, поперечные и продольные колебания, в результате которых происходит обкат кернами опорной поверхности кратера с одновременными соударениями. При возбуждении колебаний подвижной части в керновых опорах через канал сигнала на частотах, близких к собственной частоте стрелочного указателя, уравнения движения подвижной части можно представить в виде [4]
toclt¡f + ^^ty = l)\Jclpf;+JrV' = ^isinii)^t (7)
JcYc + + + т^у + Jc$ = 0.
Здесь координата \|/ описывает крутильные колебания подвижной части (рис. 2); у - ее поперечные колебания; \|/с - колебания стрелки относительно рамки; пгс и т - массы
стрелки и рамки; / - расстояние от оси вращения подвижной части до центра масс стрелки; Ис и Сс - коэффициенты демпфирования и жесткости стрелки; Jc, Jмоменты инерции относительно центра масс и оси вращения; М - возмущающий момент, обусловленный подачей переменного электрического сигнала с частотой со в рабочую обмотку прибора; для магнитоэлектрических приборов М = Ф/, где / - амплитуда тока; Ф - потокосцепление. Разрешая систему уравнений (7) относительно \|/г, считая, что Jc хтс12, получим
А
■ М .ЧтШ -
(И)
При резонансе, т.е. при 0 = сос, где сос - резонансная частота стрелочного указателя, решение последнего уравнения следует искать в виде
Ус (9)
Подставляя полученное решение в уравнение и учитывая, что на резонансе жесткостной и инерционный члены компенсируют друг друга, найдем резонансную амплитуду колебаний стрелки
■Гс
(10)
Подставляя теперь решение (10) в первое и второе уравнения системы (7), после интегрирования найдем выражения для амплитуд крутильных колебаний \\) и поперечного виброускорения Wy подвижной части, т.е.
ф' г
J3 т
СИ)
где рг - коэффициент динамичности (добротность) стрелки на резонансе.
Полученные выражения неудобны для практического использования, так как для определения рс необходимо проводить специальный эксперимент. В то же время в приборах легко визуально фиксируется амплитуда Ас колеба-ний конца стрелочного указателя. Поэтому интенсивность рассматриваемого вибрационного режима движения подвижной части целесообразно задавать величиной Ас колебаний конца стрелочного указателя на резонансе, значе-
ния которой найдем из выражения (9):
где 1С - расстояние от оси вращения подвижной части до конца стрелочного указателя. Учитывая, что [5]
представим выражение для нахождения колебаний стрелки в виде
<14}
Это позволяет переписать выражения (11), принимая во внимание, что в подкоренном выражении второй член намного больше единицы, т.е.
Выражения (15) совместно с условиями (6) позволяют найти необходимую амплитуду Ас резонансного размыва стрелочного указателя, обеспечивающую упрочнение опорной поверхности кратера литых подпятников. При этом при нахождении величины ам внедрения керна в подпятник следует положить ^0 =WV. Условие (5) ограничивает значение Ас сверху, а условие (6) - снизу. Расчеты показывают, что эти условия выполняются в довольно широком диапазоне амплитуд Ас резонансных колебаний стрелочного указателя -от десятых долей миллиметра до нескольких миллиметров. Время упрочнения, определяемое экспериментально по окончании процесса стабилизации трения в опорах, с увеличением Ас уменьшается.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1.Альшиц И. Я., Благов Б. Н. Проектирование деталей из пластмасс: Справочник. - М.: Машиностроение, 1977.-215 с.
2.Пятин 10. М. Проектирование элементов измерительных приборов. - М.: Высшая школа, 1977. - 304 с.
3.Тимошенко С. П., Гудьер Дж. Теория упругости. - М.: Наука, 1975. - 318 с.
4.Мишин В. А.. Белый Д. М. Контроль и управление качеством производства магнитоэлектрических приборов. - Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 1980. - 136 с.
5.Бабаков И. М. Теория колебаний. - М.: Наука, 1965. - 560 с.
Лазарев Евгений Ксенофонтович, кандидат технических наук, доцент кафедры «Теоретическая и прикладная механика» Ульяновского государст-венного технического университета, окончил радиотехнический факультет Ульяновского политехнического института. Область научных интересов — устойчивость электроизмерительных приборов и систем к внешним механическим воздействиям.
