Влияние модификации поверхностей сопряжения на несущую способность соединения с натягом Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

5. А. с. 879002 СССР, МКИ Б 02 М 65/00. Стенд для испытания топливной аппаратуры дизеля [Текст] / В. А. Четвергов, А. И. Володин, А. М. Сапелин, Я. Ю. Гельфонд (СССР). -№ 2863142/ 25-06; заявл. 03.04.80 ; опубл. 07.11.81, Бюл. № 41. - 2 с. : ил.

6. Володин, А. И. Стенд для измерения гидравлического сопротивления узлов и деталей топливной аппаратуры [Текст] / А. И. Володин, П. Н. Блинов, В. П. Шаповал // Исследование надежности и экономичности дизельного подвижного состава: Межвуз. темат. сб. науч. тр./ Омский ин-т инж. ж.-д. трансп. - Омск, 1981. - С. 27 - 29.

УДК 621.815

А. В. Бородин, И. Л. Рязанцева

ВЛИЯНИЕ МОДИФИКАЦИИ ПОВЕРХНОСТЕЙ СОПРЯЖЕНИЯ НА НЕСУЩУЮ СПОСОБНОСТЬ СОЕДИНЕНИЯ С НАТЯГОМ

Показано влияние параметров модификации на величину контактного давления, несущую способность деформационной волны и соединения. Приведены данные, свидетельствующие об эффективности предлагаемого решения.

Соединения с гарантированным натягом (напряженные соединения) определяют работоспособность многих технических конструкций. Ярким примером таких конструкций могут служить ходовые узлы транспортных машин: соединение «бандаж колеса - колесный центр локомотива», «шестерня тягового двигателя - вал двигателя», «колесо грузового вагона -колесная ось» и др. Нередко возникает необходимость в разборке соединения с натягом для проведения ремонтных работ. Так, при ремонте колесных пар локомотивов бандаж снимают с колесного центра, его рабочую поверхность обтачивают, затем производят повторную сборку. Уменьшение толщины бандажа приводит к снижению величины контактного давления в соединении, к снижению несущей способности посадки.

Данная публикация посвящена решению актуальной, имеющей практическое значение задачи восстановления несущей способности соединений с натягом. Для ее решения предлагается на поверхности сопряжения одной из соединяемых деталей, имеющей большую твердость, изготавливать канавки малой глубины, соразмерной натягу [1 - 4]. Так, в конструкции на рисунке 1,а для увеличения несущей способности соединения по осевой сдвигающей силе на поверхности сопряжения вала 1 предусмотрены кольцевые канавки 3, имеющие постоянную ширину ¡к и равномерно распределенные на поверхности сопряжения.

Канавки изменяют напряженно-деформированное состояние материала деталей и условия их контакта. После температурной сборки материал детали 2 на разных участках сопряжения деформируется по-разному. На участках контакта с валом точки ее посадочной поверхности перемещаются в радиальном направлении на некоторую величину и2,

зависящую от размеров и конструктивных особенностей соединяемых деталей, натяга, механических характеристик материалов и т.д. В пределах же канавок из-за отсутствия контакта с

а

Рисунок 1 - Соединение с натягом и модифицированной поверхностью сопряжения: 1, 2 - соединяемые детали; 3 - кольцевые канавки; 4 - упругая деформационная волна

валом материал деформируется в меньшей степени, образуя деформационную волну (рисунок 1,б), находящуюся в канавке и препятствующую относительному смешению деталей.

Геометрия деформационной волны зависит от многих факторов, в частности, от вида деформации материала детали 2, размеров, формы и положения канавки. Исследования, проведенные методом конечных элементов (МКЭ), показали, что при цилиндрической форме охватывающей детали и упругой деформации ее материала волна в сечении, проходящем через ось соединения (рисунок 1,б), имеет симметричную форму, близкую к дуге окружности.

При действии на соединение внешней осевой сдвигающей силы она несколько деформируется. Сечение волны становится асимметричным со смещением центра масс в сторону той стенки канавки, в которую она упирается. На рисунке 1,б деформационная волна показана условно без соблюдения ее действительных размеров. Высота Ди2 деформационной волны зависит от ширины ¡к канавки в нормальном ее сечении [4]. При большой ширине канавки величина Ди2 соразмерна и2.

Несущая способность (прочность) гладкого цилиндрического соединения с натягом оценивается величиной суммарной силы трения (сцепления), возникающей между сопрягаемыми поверхностями после сборки. В инженерных расчетах ее величину, как правило, определяют по формуле [4 - 7]:

F=кdLfq, (1)

где d, L - габаритные размеры номинальной поверхности сопряжения, мм; f - коэффициент трения; q - средняя величина контактного давления, МПа. При равной длине соединяемых посадкой деталей q имеет значение qo, вычисляемое по формуле Ляме.

Прочность же соединения с модифицированной поверхностью сопряжения определяется величиной суммарной силы трения Т^Ь между сопрягаемыми поверхностями в пределах площадок контакта и способностью каждой деформационной волны сопротивляться относительному смещению деталей. В связи с этим возникает вопрос о влиянии канавок на величину контактного давления.

По сравнению с гладким соединением канавки уменьшают номинальную площадь контакта. Средняя же величина контактного давления при этом возрастает.

Рассмотрим в качестве примера соединение стальных втулки и вала с одной кольцевой канавкой на его посадочной поверхности (рисунок 2,а).

Основные размеры соединения: d = 40 мм; d2 = 70 мм; ¡1 = 80 мм; ¡2 = 40 мм; натяг 5 - 0,06 мм.

Канавка шириной 20 мм расположена симметрично по отношению к торцам охватывающей детали, она играет роль концентратора контактного давления. Это подтверждается приведенными на рисунке 2 б,в графиками его распределения соответственно в гладком соединении и соединении с модифицированной поверхностью сопряжения.

Графики построены по данным, полученным МКЭ. Детально условия создания конечно-элементных моделей этих соединений и определения с их использованием контактного давления описаны в работе [4].

Как показали результаты расчета, в гладком цилиндрическом соединении в средней части стыка контактное давление постоянно и имеет значение, равное q0. Выступающие концы вала препятствуют его деформации, вызывая у границ А и В стыка концентрацию контактно-

Рисунок 2 - Распределение контактного давления в соединении: а - общий вид соединения; б - график распределения контактного давления в гладком цилиндрическом соединении; в - график распределения контактного давления в соединении с модифицированной поверхностью сопряжения

го давления. В результате среднее значение д в гладком соединении возросло до 108,625 МПа. Для сравнения - д0 = 103,8 МПа.

Канавка стала причиной роста общего уровня контактного давления и его концентрации. Минимальное значение контактного давления в сечениях А и В возросло до 156 МПа, максимальное в сечениях В и С - до 222 МПа, а среднее - до 172,2 МПа. Таким образом, на границах с канавкой (в сечениях В и С) контактное давление увеличилось кратно.

В соединениях, модифицированных предлагаемым способом, средняя величина дВ контактного давления зависит как от размера ¡к канавки, так и от ширины I площадок контакта. Контактное давление тем больше, чем шире канавки и уже площадки контакта. Некоторые данные, свидетельствующие о влиянии параметров модификации на его величину, приведены в таблице 1, где указаны предельные (дтах, дты) и среднее значения контактного давления в соединениях, составленных из стальных цилиндрических деталей с более длинной охватываемой деталью и одной кольцевой канавкой на ее посадочной поверхности. Для сравнения указаны также средние значения (д) контактного давления в соответствующих гладких соединениях. В таблице 1 приняты следующие обозначения: 5, - номинальная площадь контакта в гладком цилиндрическом соединении и соединении с модифицированной поверхностью сопряжения; Е, Ев - суммарная сила трения в гладком и модифицированном соединениях соответственно.

Таблица 1 - Влияние параметров модификации на величину контактного давления

А ¡2 ¡1 ¡к 1 д дтах дтт дв 5/5В д/дв Е/Ев

мм МПа

32 52 12 109,3 184 143 154 1,6 1,41 1,135

28 48 8 10 110,1 163,2 136 143,2 1,4 1,30 1,076

24 44 4 111,2 136,4 124,4 128 1,2 1,15 1,043

40 70 24 44 8 8 111,2 172 146,9 153,6 1,5 1,38 1,087

16 36 4 115,1 222,8 199,3 205,6 2,0 1,79 1,119

40 80 10 15 108,6 170 125 137,2 1,33 1,26 1,056

40 80 20 10 108,6 222 155 172,2 2,0 1,59 1,27

Следует отметить, что при расчете сил трения коэффициент трения оставался постоянным и равным 0,14, хотя условия контакта в гладком и модифицированном соединениях различны, что может сказаться на величине /.

Для оценки несущей способности упругой деформационной волны кольцевой формы использовалась следующая расчетная модель. Элемент деформационной волны длиной Л и шириной ¡к (рисунок 3,а) удерживается в канавке радиальной силой д^ (рисунок 3,б), равной АМк. Чтобы демонтировать соединение, надо вытолкнуть этот элемент волны из канавки. При осевом смещении вала 1 его кромка 3 оказывает на волну 4 силовое воздействие dNi, направленное по нормали N - N.

Сила трения, возникающая между кромкой и поверхностью волны при относительном их смещении, поворачивает этот вектор на угол фт трения. Осевая составляющая силы нормального давления dNi препятствует осевому смещению вала. Условие выхода деформационной волны из канавки:

Т ^ дк '¡к'*ё(Фт + аХ (2)

где Фт = аг^(/), а = —^, Аи2 = ч* 2 -к ), дк = ^(1 -0,67—

¡к Е2(А2 А2) и 2

Аи2 = 2А24 и2 (1 -^М2 +(1 + 2

Формула (2) использовалась для оценки несущей способности (Т) деформационной волны при ширине канавок 10 и 20 мм. Результаты представлены в таблице 2, где приведены

также значения суммарной силы трения в гладком и модифицированном соединениях, а также величины предельного осевого усилия Р, передаваемого ими.

||

¡К 1

)

а б

Рисунок 3 - Соединение с кольцевыми канавками: а - охватываемая деталь, общий вид; б - схема нагружения

деформационной волны

Таблица 2 - Результаты расчета несущей способности, суммарной силы трения, предельного осевого усилия

¡к, мм Р

Н

Нет канавки 76402,5 0 76402,5

10 72375,7 15773,7 88149,4

20 60559,3 26985,8 87545,1

Данные, приведенные в таблице 2, получены аналитически и свидетельствуют о том, что канавка шириной 10 мм позволила увеличить несущую способность соединения с натягом на 15,4 %, а шириной 20 мм - на 14,6 % по сравнению с гладким соединением при прочих равных условиях. Следует отметить, что рассматриваемая геометрия сопрягаемых поверхностей не является оптимальной. Оптимизацией параметров модификации по условию увеличения передаваемого соединением осевого усилия можно значительно увеличить его прочность.

Для проверки эффективности предлагаемого технического решения были проведены испытания [4], в ходе которых оценивалось влияние макрогеометрии стыка (ширины и количества канавок) на несущую способность цилиндрических соединений с натягом. Основные размеры соединяемых деталей показаны на рисунке 4. Несущая способность соединений оценивалась величиной РР максимального усилия распрессовки, соответствующего началу взаимного смещения деталей 1 и 2. Распрессовка соединения производилась на гидравлическом прессе 2ПК-50. Испытывались соединения с одной и несколькими канавками. Во всех соединениях твердость вала превышала твердость охватывающей детали на (38 - 100)НВ.

Результаты испытаний показали, что несущая способность соединений с одной канавкой возрастает с увеличением размера ¡к. В исследованных вариантах она в среднем возросла на 25, 58 и 80 % при ширине канавок 5, 10 и 20 мм соответственно. Несущая способность соединений с несколькими канавками на посадочной поверхности вала зависит не только от размера, но и от ширины I площадок контакта (или количества пк канавок). При малой ширине площадок контакта (при большом пк) контактное давление может быть столь велико, что в материале деталей возникнут опасные пластические деформации, снижающие прочность соединения. Так, несущая способность соединений с 16 канавками шириной 1,44 мм увеличилась в среднем на 7,8 % по сравнению с такими же гладкими соединениями. Две канавки

шириной 10 мм позволили увеличить РР в среднем на 23 %, а 4 канавки шириной 5 мм и 8 канавок шириной 2,26 мм - на 55 и 50 % соответственно.

о ||||

2 о о + о

О

П N

шкш.

42

1.25,

А

/

1

1к 1

44

60

а б

Рисунок 4 - Общий вид соединяемых деталей: а - охватывающая деталь; б - вал

Следует отметить еще одно важное обстоятельство. После распрессовки на поверхности вала (рисунок 4) появились царапины, задиры, неровности, что подтверждает наличие деформационной волны и ее фиксирующего эффекта. Чем шире была канавка, тем хуже было состояние поверхности вала.

Кольцевые канавки (см. рисунок 1,а) позволяют увеличить передаваемое соединением осевое усилие. Для увеличения несущей способности соединения по окружной силе (крутящему моменту) надо изменить ориентацию канавок или их форму. Некоторые из вариантов модификации поверхности сопряжения приведены на рисунке 5. Следует отметить, что винтовые канавки (рисунок 5,а) обеспечивают большую несущую способность по осевой силе, зигзагообразные (рисунок 5,б) - по окружной, а кольцевые несоосные с валом (рисунок 5,в) в равной степени влияют на величину осевой и окружной сил, передаваемых соединением.

а б в

Рисунок 5 - Варианты геометрии канавок: а - винтовые; б - зигзагообразные; в - кольцевые несоосные с валом

Канавки могут иметь и другую геометрию, например, переменную ширину и глубину. Форма, размеры, ориентация канавок и их количество должны подбираться с учетом условий работы проектируемого соединения, предъявляемых к нему требований, конструкции соединяемых деталей и их размеров.

Полученные результаты подтверждают целесообразность и эффективность предлагаемого технического решения. Положительный эффект получен при ремонте колесных пар тепловозов - статическая осевая сила и крутящий момент увеличены на 10 - 13 %.

жмт

Ш20Т0

Модификация одной из сопрягаемых поверхностей канавками малой глубины - реальный способ восстановления и повышения несущей способности соединений с натягом при проведении ремонтных работ.

Список литературы

1. Пат. 2106544 Российская Федерация, МКИ 6 Б 164/00. Соединение с натягом [Текст] / Бородин А. В., Волков В. М.; заявитель и патентообладатель Омская гос. академия путей сообщения. - № 596746; заявл. 21.02.95; опубл. 10.03.1998, Бюл. № 7. - 2с.: ил.

2. Бородин, А. В. Моделирование цилиндрического прессового соединения с дискретной поверхностью в контакте [Текст] / А. В. Бородин, И. Л. Рязанцева, В. М. Волков: информ.-аналит. журн. // Вестник ВНИИЖТа. - 1999. - № 6. - С. 29 - 34.

3. Бородин, А. В. Несущая способность прессового соединения с криволинейными канавками в стыке [Текст] / А. В. Бородин, И. Л. Рязанцева: информ.-аналит. журн. / Вестник машиностроения. - 2000. - № 5. - С. 3 - 7.

4. Бородин, А. В. Соединения с натягом повышенной несущей способности [Текст] / А. В. Бородин, И. Л. Рязанцева. / Омский гос. техн. ун-т - Омск, 2006. - С. 152.

5. Балацкий, Л. Т. Прочность прессовых соединений [Текст] / Л. Т. Балацкий. - Киев: Техника. - 1982. - С. 152.

6. Гречищев, Е. С. Соединения с натягом [Текст] / Е. С. Гречищев, А. А. Ильяшенко. -М.: Машиностроение. - 1981. - С. 240.

7. Иванов, А. С. Расчет соединений с натягом на несдвигаемость с учетом контактной жесткости сопрягаемых поверхностей [Текст] / А. С. Иванов, А. В. Воронцов, С. А. Терехин: информ.-аналит. журн / Вестник машиностроения. - 2003. - № 2. - С. 19 - 22.

УДК 621.336

Г. П. Маслов, М. А. Дятлова

АЭРОДИНАМИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ ТОКОПРИЕМНИКОВ СКОРОСТНОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОДВИЖНОГО СОСТАВА

В статье рассматриваются аэродинамические свойства токоприемников 17РР, ТП-250, ТАсС-11, Сп-6М, предназначенных для скоростного движения электрического подвижного состава. Приводятся их спектры обтекания. Определены аэродинамические коэффициенты, необходимые для расчета аэродинамических характеристик. Построены аэродинамические характеристики токоприемников.

Аэродинамические свойства токоприемников принято оценивать по его аэродинамическим характеристикам [1, 2], которые представляются в виде зависимостей аэродинамических сил ло -бового сопротивления и подъемной силы от скорости встречного воздушного потока воздуха [3]. Эти характеристики можно получить при продувке токоприемника в аэродинамической трубе или на натурном эксперименте на участке электрической железной дороги, а также путем расчета аэродинамических сил по классическим формулам.

Аэродинамическое лобовое сопротивление

Pвтx = СxSx Р V2, (1)

где Сх - аэродинамический коэффициент лобового сопротивления токоприемника;

Sx - площадь миделевого сечения токоприемника, м2;

р - массовая плотность воздуха, кг/м ;

Ув - скорость воздушного потока, м/с.