Удосконалення конструкцій з’єднань з натягом в машинах легкої промисловості

Размещено на http://www.allbest.ru/

КИЇВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ТЕХНОЛОГІЙ ТА ДИЗАЙНУ

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

05.05.10 - Машини легкої промисловості

Удосконалення конструкцій з'єднань з натягом в машинах легкої промисловості

Павленко Володимир Миколайович

Київ 2011

Дисертацією є рукопис.

Роботу виконано в Київському національному університеті технологій та дизайну Міністерства освіти і науки, молоді та спорту України

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Петко Ігор Валентинович Київський національний університет технологій та дизайну, професор кафедри електромеханічних систем.

Офіційні опоненти: - Заслужений діяч науки і техніки України, доктор технічних наук, професор Піпа Борис Федорович Київський національний університет технологій та дизайну, професор кафедри інженерної механіки

- кандидат технічних наук, доцент Мартинов Анатолій Павлович Донбаська державна машинобудівна академія (м. Краматорськ) доцент кафедри основ проектування машин

Захист дисертації відбудеться «29» вересня 2011 р. о 10 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.102.02 у Київському національному університеті технологій та дизайну за адресою: вул. Немировича-Данченка 2, м. Київ, 01011.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Київського національного університету технологій та дизайну за адресою: вул. Немировича-Данченка 2, м. Київ, 01011.

Автореферат розіслано «26» серпня 2011 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Г.В.Кошель

1. Загальна характеристика роботи

Актуальність теми.

Аналіз стану розвитку легкої промисловості показав, що в умовах багатосерійного і масового виробництва для виконання технологічних операцій з випуску продукції подача комплектуючих та енергоносіїв на кожну технологічну операцію відбувалася централізовано автоматичними конвеєрами. За останні 10-15 р в умовах ринкової економіки в структурі випуску товарів легкої промисловості відбулися принципові зміни - до 70% випуску товарів відбувається на малих підприємствах з малосерійним, або, навіть індивідуальним виробництвом. Такий стан обумовив і принципову зміну конструкцій машин легкої промисловості, які повинні бути забезпечені пристроями для виконання технологічного циклу. Так, наприклад, у виробництві одягу за індивідуальними замовленнями застосовують пневматичні преса ВТО таких відомих фірм, як VEIT, LASTAR, Stirovap, PONY, Rotondy, JACK, тощо, які укомплектовано вбудованими компресорами, розробленими спеціально для цього виду обладнання. При цьому, вбудоване в машину компресорне устаткування повинно відповідати таким вимогам: невеликі масогабаритні параметри, забезпечення необхідного тиску і об'єму повітря для виконання технологічного циклу, знижена шумність, підвищена надійність. Цим вимогам, в сучасних умовах поставки імпортного обладнання, яким комплектуються машини легкої промисловості, відповідають спеціальні компресори таких фірм як Remeza-Fiac, AirCast, Miol, Forte, Etalon, Vitals, DARI, Prodif, тощо. Виходячи з вимог індивідуальної комплектації машин легкої промисловості - це малогабаритні, прямопривідні, з примусовим змащенням або без нього (для пароманекенів, пресів ВТО), з невеликим ресивером (24 ч 50л) поршневі компресори. Відмінною особливістю таких компресорів є прямий привід кривошипно-шатунного механізму, який розташований на одному валу разом із ротором електродвигуна. В цих механізмах, для перетворення обертального руху електричного двигуна в зворотно-поступальний поршня використовуються складані колінчасті вали.

Для складання цих валів у машинах легкої промисловості, застосовують посадки з діаметрами 12ч18 мм, при цьому, для забезпечення необхідної міцності з'єднання використовують значні величини натягів в діапазоні 64ч120 мкм відповідно. Обмеження діаметрів до 18 мм пов'язане з тим, що вбудовані компресори повинні мати невеликі масогабаритні параметри. машина конструкція деформація натяг

Визначальним фактором міцності з'єднання з натягом є контактна взаємодія поверхонь деталей - спроможність з'єднання витримувати в умовах експлуатації осьові зусилля, крутні моменти або їх одночасну дію. Міцність з'єднань з натягом залежить від величини площі контакту з'єднуваних деталей, коефіцієнта тертя між ними, шорсткості контактуючих поверхонь та питомого тиску у зоні контакту, зумовленого натягом. Розрахунок міцності з'єднання з натягом проводиться за формулами, в основу яких покладено рішення пласкої осесиметричної задачі теорії пружності. Максимальне значення натягів приймається таким, щоб деформації на контактуючих поверхнях деталей з'єднання були пружними.

Однак, останні дослідження показали, що уже і при цих значеннях натягів на контактуючих поверхнях з'єднуваних деталей можуть виникати пластичні деформації. Це пов'язано з тим, що здатність з'єднань передавати осьові зусилля та крутні моменти зумовлена складним процесом тертя у зоні контакту, який спричиняє не тільки пружні, а й пластичні деформації у пружно-пластичній області. Тому, у цих умовах не можна очікувати різкої зміни міцності з'єднання з натягом при переході за умовну (розрахункову) границю текучості матеріалу деталей. Прийняті раніше твердження про неминуче падіння міцності з'єднань, в зоні контакту яких виникають пружно-пластичні деформації, в багатьох випадках дослідами не підтверджуються.

Одночасно, величина пластичної деформації повинна бути обмеженою тому, що при складанні деталей з різними довжинами значні пластичні деформації можуть призвести до зміни геометричних розмірів (відхилення від циліндричності) частин валу, які знаходяться поза зоною контакту. За умови, коли вільна від контакту частина валу виступає внутрішнім кільцем підшипника, відхилення від циліндричності призводить до дискретності контакту пари вал-підшипник, і, як результат, знижує працездатність машин і агрегатів легкої промисловості, до складу яких входять з'єднання з натягом.

Таким чином, підвищення працездатності складаних одиниць машин легкої промисловості до складу яких входять з'єднання з натягом за рахунок збільшення габаритів та величини контактного тиску неможливе, тому залишається єдиний раціональний шлях - доведення фактичної площі контакту практично до номінальної.

У роботі висунуто гіпотезу, що при складанні з'єднань з натягом з посадками, які рекомендовані ГОСТ 25347-82, збільшення площі контакту у зоні з'єднання за рахунок пластичних деформацій дає можливість отримати задану міцність і при менших величинах натягу, в результаті чого зменшаться концентратори напружень, підвищиться працездатність машин легкої промисловості.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами і темами.

Роботу виконано у рамках наукової програми «Обладнання, системи управління технологічними процесами та контролю якості виробів» (держбюджетна тематика № Н/н 2, 2003-2006р.р.), «Розроблення технології отримання високоміцних з'єднань із системою контролю їх якості» (№ державної реєстрації 0109U006229), яка виконана згідно з планом НДДКР Київського національного університету технологій та дизайну.

Мета і завдання дослідження.

Мета роботи - удосконалення конструкцій з'єднань з натягом в машинах легкої промисловості.

Для досягнення поставленої мети у роботі поставлені та вирішено такі завдання:

- проведено аналіз патентної та технічної літератури щодо конструкцій машин легкої промисловості, до складу яких входять з'єднання з натягом та залежність міцності цих з'єднань від конструктивних та технологічних факторів;

- запропоновано шляхи удосконалення конструкцій складаних одиниць машин легкої промисловості за рахунок доведення фактичної площі контакту практично до номінальної;

- теоретично досліджено процеси, які відбуваються в зоні контакту з'єднань з натягом під час складання, визначено величину та характер розподілу відхилень від циліндричності вала поза зоною контакту при складанні деталей з різними довжинами;

- експериментально досліджено характер розподілу напружень та деформацій, які виникають як у зоні контакту, так і поза її межами;

- запропоновано метод складання з'єднань з натягом, який забезпечує необхідну міцність за рахунок доведення фактичної площі контакту практично до номінальної;

- на основі запропонованого методу складання з'єднань з натягом розроблено рекомендації з уточнення вибору посадок, які при зменшеній величині натягу забезпечують передачу таких же осьових зусиль і крутних моментів, як і рекомендовані стандартом ГОСТ 25347-82;

- проведено випробування складених за запропонованим методом колінчастих валів машин легкої промисловості, результати яких показали, що за рахунок зменшення деформацій вала поза зоною контакту їх ресурс роботи підвищився у 1,3 раза порівняно з серійними.

Об'єкт дослідження - процес удосконалення конструкції з'єднання з натягом в машинах легкої промисловості.

Предмет дослідження - складані одиниці машин легкої промисловості, до конструкції яких входять з'єднання з натягом.

Методи дослідження.

Поставлені у роботі завдання вирішувались з використанням сучасних математичних методів та класичних положень фізики, теорії міцності, теорії твердого тіла, опору матеріалів. Застосовано методи математичного моделювання, планування експерименту. Результати математичного моделювання та обробки даних експериментальних досліджень наведено у роботі у вигляді таблиць і графіків, побудованих з використанням ПК.

Наукова новизна одержаних результатів полягає у тому, що аналітичні дослідження процесів між контактуючими деталями з'єднання показали, що при значних величинах натягу виникають деформації валу поза зоною контакту. Вперше отримано такі наукові результати:

– аналітично обґрунтовано раціональний вибір теорії міцності для розрахунку натягу, при якому з'являються пластичні деформації в зоні контакту;

– запропоновано аналітичні залежності для визначення зони пластичних деформацій на контактуючих поверхнях складених деталей;

– створено математичну модель процесу розподілу напружень та деформацій валу в з'єднаннях з натягом як в зоні контакту, так і поза нею.

Практичне значення одержаних результатів полягає у тому, що на основі проведених досліджень:

– показано характер розподілу та величини деформацій валу поза зоною контакту при складанні деталей з великими значеннями величин натягів за допомогою методів фотопружності та тензометрування;

– розроблено спосіб складання з'єднань з натягом з використанням проміжної пластичної втулки (патент України на корисну модель №32918. Бюл. №11, від 10.06.2008, патент України на корисну модель №33013. Бюл. №11, від 10.06.2008);

– на основі розробленого способу складання з'єднань з натягом запропоновано інженерний метод вирішення задачі зменшення відхилення від циліндричності вала поза зоною контакту;

– вдосконалено конструкцію складаних колінчастих валів вбудованого компресора швейної машини JK-T5878-28B/38B/08 та складаних кривошипів машин легкої промисловості, випробування яких показало, що зменшення напружень в зоні контакту дає можливість підвищити їх ресурс роботи в 1,3 раза.

– результати досліджень впроваджено до навчального процесу КНУТД та використовуються при викладанні дисциплін „Розрахунки з'єднань”, „Взаємозамінність, стандартизація та технічні вимірювання”, „Деталі машин”, а також у курсовому, дипломному проектуванні та науково-дослідній роботі студентів на кафедрах метрології, стандартизації та сертифікації; інженерної механіки та електромеханічних систем;

– рекомендації використовуються для модернізації складаних колінчастих валів та кривошипів машин легкої промисловості та впроваджені в сервісному центрі представництва холдингової компанії «NEW JACK CHINA» ТОВ «ТК Фурнітура», яке займається сервісним обслуговуванням і ремонтом швейного обладнання та обладнання ВТО виробництва холдингової компанії «NEW JACK CHINA».

Особистий внесок здобувача полягає у постановці та вирішенні основних теоретичних та експериментальних завдань. За участю автора здійснено вибір предмета дослідження, створено та удосконалено ряд методів і засобів досліджень, розроблено технологію складання з'єднань з натягом з використанням проміжної пластичної втулки методом деформуючого протягування. Особистий внесок автора у роботах, які опубліковані у співавторстві: [2 - 5] - постановка завдання, проведення та аналіз результатів дослідження, виконання теоретичних досліджень; [6, 7] - проведення експериментальних досліджень, обробка та аналіз результатів; [8 - 11] - розроблення способу складання з'єднань з натягом, виконання аналітичних розрахунків згідно з розробленими з співавторами схемами та моделями, проведення експериментальних досліджень, обробка та обговорювання отриманих результатів; [12, 13] - розробка ідеї та істотних ознак винаходів, обґрунтування запропонованого способу і конструкцій.

Апробація результатів дисертації

Основні теоретичні положення та результати дисертаційної роботи доповідалися та одержали позитивну оцінку на:

- 3-ей Международной молодежной научно-технической конференции «Современные проблемы радиотехники и телекоммуникаций» Севастополь 16 - 21 апреля 2007 г.

– 5-ій Міжнародній науково-технічній конференції «Процеси механічної обробки, верстати та інструменти» Житомир 4 - 6 жовтня 2007 р.;

– 6-ій Міжнародній конференції молодих науковців «Інформатика та механіка». Кам'янець-Подільський, 6 - 8 травня 2008 р.;

– 8-ой и 9-ой Международной научно-практической конференции «Качество, стандартизация, контроль: теория и практика». Ялта, 2008 - 2009 г.

Матеріали дисертації також доповідались на трьох конференціях молодих вчених, аспірантів та студентів Київського національного університету технологій та дизайну протягом 2006 - 2008 років.

Публікації. За результатами дисертації опубліковано 13 робіт , серед яких 11 наукових статей у фахових виданнях, рекомендованих ВАК України та одержано2 патенти України.

Структура та обсяг дисертації.

Дисертаційна робота складається із вступу, чотирьох розділів, загальних висновків, списку літературних джерел та додатків. Роботу надруковано на 125 сторінках: 38 рисунків, 2 таблиць, 122 найменуваня використаних джерел та 23 сторінок додатків. Загальний обсяг дисертації складає 150 сторінок.

2. Основний зміст роботи

У вступі обґрунтовано актуальність теми, сформульовано мету та основні завдання досліджень, показано наукову новизну та практичне значення роботи.

Перший розділ присвячено аналізу сучасного стану забезпечення працездатності складаних одиниць машин легкої промисловості, до складу яких входять з'єднання з натягом. Проведений аналіз показав, що працездатність та ресурс роботи складаних одиниць машин легкої промисловості, до складу яких входять з'єднання з натягом залежить від конструктивних та технологічних факторів, вплив яких недостатньо вивчений.

Аналіз патентної та технічної літератури показав, що на міцність з'єднання і його здатність передавати значні зусилля позитивно впливають не тільки пружні, а і пружно-пластичні деформації. Тому стандарт ГОСТ 25347-82 для з'єднань, які працюють в умовах значного навантаження, допускає можливість виникнення в зоні контакту пластичних деформацій.

При складанні з'єднань з натягом в зоні контакту виникають значні напруження і деформації, розрахунок яких пов'язаний із труднощами, зумовленими складністю форми деталей і умовами їх навантаження. Тому у розрахунках використовують спрощені моделі з обов'язковим оцінюванням їх ефективності експериментальними методами.

В той же час, при збільшенні величини натягу в з'єднаннях з натягом можуть виникати пластичні деформації, які можуть привести до відхилення від циліндричності вільних від контакту частин валу. Крім того, в зоні контакту не повинно виникати напружень, які перевищують межі текучості для матеріалів з'єднуваних деталей.

Аналіз складаних одиниць, до складу яких входять з'єднання з натягом, показав, що у більшості випадків вільна від контакту частина валу служить або в якості внутрішнього кільця підшипника кочення, або на ній обертаються шестерні, зубчаті колеса, підшипники ковзання, тощо. Тому, для забезпечення безперервності контакту між валом та деталями, які контактують з ним, до останнього висуваються підвищені вимоги щодо його шорсткості, відхилення від циліндричності та круглості. Виконання таких вимог потребує проведення високозатратних технологічних операцій, таких як тонке притирання, доведення, полірування. Всі ці матеріальні затрати будуть марними, якщо після складання вільна частина вала буде деформована в результаті впливу пластичних деформацій при з'єднанні, і, як результат, контакт деформованого валу з парою тертя буде мати дискретний характер.

Тому, мінімальне відхилення від циліндричності валу після процесу складання є необхідною умовою забезпечення високої працездатності складаних одиниць машин легкої промисловості, до складу яких входять з'єднання з натягом.

Таким чином, аналіз та врахування факторів, які впливають на деформацію валу поза зоною контакту при значних натягах є актуальним завданням, вирішення якого дасть можливість підвищити працездатність та подовжити ресурс складаних одиниць машин легкої промисловості, до складу яких входять з'єднання з натягом.

У другому розділі проведено аналітичне дослідження процесів, які протікають як в зоні контакту з'єднань з натягом, так і поза нею.

Розрахункова величина натягу, при якому виникають перші непружні деформації у з'єднаннях, істотно залежить від того, якою з чотирьох теорій міцності користуються при його визначенні. Аналіз розрахунків величин натягів, проведених за чотирма теоріями міцності показав, що перша теорія міцності (теорія найбільших нормальних напружень) та друга теорія міцності (Сен-Венана) дають практично однакові результати для вирішення пласких задач без врахування стану матеріалу в інших перерізах об'ємної деталі. За допомогою третьої теорії міцності можна розрахувати максимальні дотичні напруження, при яких починається руйнування матеріалу. Четверта енергетична теорія міцності (теорія постійності дотичних напружень) враховує вплив як дотичних напружень на певній ділянці площини, так і всіх трьох головних напружень.

Тому, для розрахунку умов настання пластичних деформацій в зоні контакту з'єднуваних деталей як при простому, так і при складному напруженому стані, використана четверта теорія міцності, згідно з якою значення величин радіального тиску і натягу , при яких у деталях з'єднання виникатимуть пластичні деформації, визначалися за такими формулами:

,

де - межа текучості матеріалу, - діаметр з'єднання,

- коефіцієнт пропорційності діаметрів втулки, - зовнішній діаметр втулки (рис.1), - модуль пружності матеріалу втулки.

В цих формулах враховується модуль пружності втулки , тому що перші пластичні деформації відбуваються на внутрішній поверхні втулки, матеріал якої більш пластичний.

При значних величинах натягу пластичні деформації в зоні контакту відбуваються і на зовнішній поверхні валу, що призводить до зміни геометричних параметрів валу. Для розрахунку величини натягу при якій в зоні контакту виникають пластичні деформації розглянуто пластичну і пружну зони в з'єднаннях з натягом для втулки і вала (рис. 1).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 1 Пластична і пружна зони в з'єднаннях з натягом для втулки і вала

Радіус зони пластичної ділянки втулки визначимо із залежності:

де - окружні напруження; і - окружні і радіальні нормальні напруження на межі пружної зони.

Тиск , необхідний для утворення кільця пластичної зони радіусів ч і кільця пружної зони ч, можна визначити із спільного рішення рівнянь рівноваги та пластичності. Тиск на межі пружної зони повинен викликати на внутрішній поверхні втулки напруження, що відповідають межі текучості матеріалу у пружному кільці, обмеженому радіусами та . Знайдено:

де .

Відповідно, відносні деформації для внутрішньої поверхні втулки:

де - коефіцієнт Пуассона матеріалу втулки

У зв'язку з тим, що тиск в зоні контакту діє однаково на контактуючі поверхні валу та втулки, розрахунок величини деформації зовнішньої поверхні валу визначатимемо за цими залежностями, тільки з протилежним знаком і з урахуванням властивостей матеріалу валу ( та ):

Отже, при значних натягах, коли на контактуючих поверхнях з'являються зони пластичних деформацій, розрахунок відхилення від циліндричності вала в зоні контакту можна визначити за формулою (8). Причому цей показник суттєво залежить від натягу, який формує зону пластичності.

З метою визначення величини відхилення від циліндричності валу поза зоною контакту після складання, нами розглянуто вплив нормальних циліндрових напружень , і , та дотичних - на деформації валу не тільки в зоні контакту, а і на характер розподілу цих деформацій поза зоною контакту.

Напруження пов'язані між собою рівняннями рівноваги нескінченно малого елементу і мають вигляд:

, , (9)

де ;

- безрозмірні координати; - зовнішній радіус валу; , - циліндричні координати.

Відносні деформації можуть бути виражені через радіальне () і осьове () переміщення точки за формулами:

, (10)

де - дотичні деформації, що діють між площинами радіального та осьового переміщення.

Використовуючи залежності між деформаціями та напруженнями за законом Гука, отримаємо:

. (11)

На циліндричних поверхнях порожнистого валу (внутрішній

і зовнішній ) повинні виконуватися граничні умови, тобто напруження , , повинні дорівнювати заданим поверхневим силам.

На основі відомих залежностей для визначення напружень та переміщень нескінченно малого елемента одержано два рівняння спільності деформацій:

Рівняння (12) є умовою існування функції радіальних переміщень , а (13) -- умовою існування функції осьових переміщень .

Визначити деформації валу теоретично на основі цих рівнянь достатньо складно. Сьогодні поки ще не існує рішень (окрім елементарних), які б точно задовольняли усім граничним умовам. Оскільки одержати точні рішення для порожнистого валу теж надзвичайно складно, то перевагу надають наближеним методам. Одним з таких методів є варіаційний метод розрахунку. Розглянемо вал із зовнішнім радіусом , внутрішнім , який знаходиться під навантаженням на циліндрових поверхнях з нормальними і дотичними силами , (на внутрішній поверхні) та , (на зовнішній поверхні).

Введемо безрозмірні координати

,

де - числовий коефіцієнт,

.

Відношення радіусів позначено

.

Рішення може бути використане при 0,2 < < 0,9. При ? 0,9 вал необхідно розглядати як тонку оболонку, при 0,2 ? - як суцільний вал.

Деформації на внутрішній поверхні валу при :

,

де , - функції осьового розподілу напружень валу, який знаходиться під дією тиску на внутрішній поверхні та тиску на зовнішній поверхні;

, - функції, які враховують вплив дотичних напружень, - нормальна сила, яка діє в поперечному перерізі деталі.

Деформації на зовнішній поверхні валу при

.

За результатами розрахунку, побудовано графіки, які наочно показують характер розподілу відхилення від циліндричності в частині радіальних переміщень довгого порожнистого валу з відношенням , навантаженого рівномірним зовнішнім тиском у правій частині і вільним від навантаження в лівій частині , що відповідає навантаженню вала при складанні з'єднань з натягом у яких охоплююча втулка розташована на краю вала (рис. 2).

Епюри побудовані для зовнішньої при і внутрішньої при поверхонь валу і вказують на відхилення від циліндричності залежно від контактного тиску та з урахуванням віддаленості від межі зони контакту.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 2 Епюри радіальних переміщень б для довгого порожнистого валу навантаженого охоплюючою втулкою розташованою на його краю а з відношенням зовнішнього радіусу до внутрішнього

Аналіз одержаної епюри розподілу радіальних переміщень для довгого порожнистого валу (як в зоні контакту, так і поза нею) показав, що вплив напружень на відхилення від циліндричності валу розповсюджується на величину 1,2 зовнішнього радіуса вала і залежить від контактного тиску, радіуса посадки та фізичних властивостей матеріалу.

Епюри можна використовувати для розрахунку деформацій вала при нормальному навантаженні, розподіленому на зовнішній поверхні за довільним законом. Для цього епюру тиску необхідно апроксимувати ступінчастим графіком і підсумувати напруження і переміщення, які визивають кожне з елементарних навантажень, з яких складається задане навантаження.

У третьому розділі проведено експериментальні дослідження з визначення відхилення від циліндричності вала поза зоною контакту у з'єднаннях з натягом.

З метою перевірки достовірності одержаних теоретичних залежностей проведено експериментальні дослідження розподілу напружень у з'єднаннях з натягом з використанням методів фотопружності та тензометрування.

Дослідження напружень і деформацій методом фотопружності виконували на моделях, ідентичних натурним зразкам, виготовлених на основі поліуретанового каучуку з оптично чутливого матеріалу ФЛ-1. Оптичні властивості навантаженої моделі визначали при просвічуванні її в полярископі.

Геометричні розміри деталей моделі: внутрішній діаметр вала =8 мм, зовнішний діаметр вала (діаметр з'єднання) =18 мм, зовнішній діаметр втулки =46 мм, довжина вала =26 мм, довжина контактуючої зони втулки з валом = 9 мм. Натяг формувався за рахунок різниці зовнішнього діаметру вала та внутрішнього діаметра втулки і забезпечувався у межах = 300 мкм.

Розподіл напружень валу при посадці двох втулок на краї порожнистого валу представлено на рис. 3

Рис. 3 Розподіл напружень а та б у матеріалі валу на різних глибинах, при посадці двох втулок на краї порожнистого валу

Результати визначення характеру розподілу напружень і у моделях вказують на те, що напруження вала у зоні контакту розподіляються нерівномірно та продовжують діяти вздовж утворюючої валу і поза зоною контакту на довжину, яка відповідає величині радіусу посадки.

Характерним для цього випадку посадки є наявність значних окружних напружень як в зоні контакту, так і поза нею. Це призводить до відхилення від циліндричності вільної від зони контакту частини валу.

Результати досліджень методом тензометрування відхилень від циліндричності вала поза зоною контакту в з'єднаннях з натягом на металевих зразках з такими ж геометричними розмірами представлені епюрами деформацій у чотирьох перерізах: І-І, ІІ-ІІ, ІІІ - ІІІ, IV - IV (рис. 4, а) Як видно з епюр, найбільші деформації виникають у перерізах І-І та IV - IV, найменші -- у перерізах ІІ - ІІ та ІІІ - ІІІ (рис. 4, б). При цьому утворююча порожнистого вала деформується нерівномірно за довжиною та діаметром (рис. 4, в).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 4 Деформації вала після формування з'єднань (величини деформацій дані в мкм): а - вал з схемою розташування розмірів перерізів, б - деформації валу в кожному з перерізів, в - епюра деформацій вільної від контакту частини валу у відповідності з перерізами

Аналіз результатів дослідження з'єднань із натягом методом тензометрування показав, що деформації вільної від контакту частині валу можуть досягати до 25% від натягу, так, для посадки , деформації розповсюджувалися вздовж валу на величину 1,2 Rв, та при натягу в 120 мкм досягали 25 мкм на відстані 2 мм від зони контакту.

Для порівняння теоретичних даних та результатів досліджень на натурних зразках розраховано та побудовано епюри деформацій зовнішньої поверхні (при ) пальця колінчастого валу компресора швейної машини JK-T5878-28B/38B/08, який складений з посадкою (рис. 5).

Рис. 5 Порівняння розрахункових і експериментальних даних

Оцінювання експериментальних досліджень показало їх високу відтворюваність (за критерієм Кохрена: табличне значення = 0,6167, розрахункове = 0,2553), відхилення експериментальних даних лежить у межах 13 % (за квантилем Стьюдента), ряди вимірювань є рівнозначними (за критерієм Фішера: табличне значення = 9,28 >> розрахункового значення = 0,99), що вказує на адекватність експерименту.

У четвертому розділі запропоновано метод складання з'єднань з натягом з використанням деформуючого протягування. Він забезпечує збільшення фактичної площі контакту за рахунок введення проміжного металевого пластичного тіла між контактуючими поверхнями.

Технологія складання з'єднань з натягом з введенням в зону контакту проміжної втулки передбачає наступне. В охоплюючу втулку вільно встановлюється пластична тонкостінна втулка з технологічним зазором в 0,10 мм. Протягуючи крізь отвір тонкостінної пластичної втулки деформуючу протяжку, вибирають технологічний зазор між тонкостінною пластичною втулкою та основною втулкою, тим самим формуючи первинний натяг між ними. Після цього, основну втулку разом з проміжною складають з валом. При цьому, найнебезпечніші напруження зменшуються, оскільки виникає попередня напруженість, що сприяє вирівнюванню концентраторів напружень. Впровадження технологічних процесів згідно з запропонованим методом дає можливість виключити операції фінішної доводки поверхні вала та сумістити операції механічної обробки й складання.

Для експериментальної перевірки таких тверджень проведено порівняльний аналіз відхилень від циліндричності валу поза зоною контакту у з'єднаннях з натягом після складання з проміжною пластичною втулкою та без неї. Результати порівняння наведені на рис. 6.

Рис. 6 Результати досліджень відхилення від циліндричності валу поза зоною контакту у з'єднаннях з натягом, складених з проміжною пластичною втулкою та без неї

Аналіз результатів показує, що відхилення від циліндричності вала (рис. 6) в запропонованому варіанті становить 7,2 мкм, а відхилення від циліндричності при простому складанні - 23ч25 мкм. Таким чином, наявність проміжної пластичної втулки у з'єднанні дало можливість зменшити максимальні деформації вала поза зоною контакту у 3 рази. Це можна пояснити тим, що пластичні деформації контактуючих деталей, відбуваються у проміжній втулці, як більш податливому матеріалі. Для визначення впливу проміжної втулки на міцність з'єднань при змінному значенні величини натягу вибирали посадки, які найчастіше зустрічаються у машинобудуванні та є рекомендованими стандартом ГОСТ 25347-82, а саме: , , , , та . Ці посадки забезпечили зміну натягу у з'єднаннях від 64 мкм до 151 мкм. Окремо, для порівняння, виготовлялися та досліджувалися звичайні з'єднання з натягом без застосування додаткових технологій кріплення з'єднуваних деталей та використання методів підвищення їх міцності. Результати досліджень міцності з'єднань з натягом при різних посадках складених як з використанням деформуючого протягування, так і без нього

Рис.7 Результати досліджень міцності з'єднань з натягом при різних посадках, складених як без проміжної втулки, так і з проміжною пластичною втулкою товщиною 0,8 мм: а - результати досліджень міцності на осьове зрушення, б -досліджень міцності на протидію крутному моменту

За результатами експериментальних досліджень розроблено рекомендації з уточнення вибору посадок, які при зменшеній величині натягу забезпечують передачу таких же осьових зусиль і крутних моментів, як і рекомендовані стандартом ГОСТ 25347-82. Застосування вище наведеної технології складання, забезпечує достатню міцність з'єднання. Наприклад, посадку з натягом в 151мкм, можна замінити посадкою із натягом в 99 мкм, посадку з натягом в 119мкм - посадкою із натягом в 85 мкм, а посадку з натягом в 99 мкм - посадкою із натягом в 68 мкм і так далі. Це дасть змогу зменшити витрати на точність виготовлення деталей, які складаються, а також забезпечити мінімальну деформацію вала поза зоною контакту.

Загальні висновки

1. Проведений аналіз патентної та технічної літератури показав, що в машинах легкої промисловості застосовуються складані колінчасті вали, які складаються з великими величинами натягів. Основним параметром при складанні є міцність з'єднань з натягом, яка залежить від конструктивних та технологічних факторів, таких як: метод складання, величина натягу, фактична площа контакту, коефіцієнт тертя, тощо.

2. Показано, що раціональним шляхом підвищення міцності з'єднань з натягами при яких в зоні контакту виникають пружно-пластичні деформації є доведення фактичної площі контакту практично до номінальної.

3. Проведені теоретичні дослідження пружно-пластичних деформацій зони контакту з'єднань з натягом показали, що при складанні деталей з різними довжинами виникають деформації валу, які діють на відстані 1,2 величини радіуса посадки від межі контактної зони.

4. Експериментальні дослідження деформацій пальця колінчастого валу компресора швейної машини JK-T5878-28B/38B/08, які проводилися методами фотопружності та тензометрування показали, що відхилення від циліндричності вільної частини пальця виникають під час формування з'єднання з натягом, мають нерівномірний характер, при цьому величина деформації його утворюючої становить до 25% від величини натягу як за довжиною, так і за діаметром. Так, для посадки при натягу у 120 мкм деформації пальця на відстані 2 мм від зони контакту досягли 25мкм.

5. Запропоновано метод складання з'єднань з натягом, на який отримано 2 патенти України на корисну модель (Патент на корисну модель №32918. Заявл.26.12.07; Опубл. 10.06.2008, Бюл. №11, 2008., Патент на корисну модель №33013. Заявл.26.12.07; Опубл. 10.06.2008, Бюл. №11, 2008.) з використанням деформуючого протягування, який забезпечує збільшення фактичної площі контакту за рахунок введення між контактуючими поверхнями проміжного пластичного тіла.

6. Експериментальні дослідження методом тензометрування показали, що деформації пальця колінчатого валу, складеного за запропонованим методом зменшилися в 3 рази, а міцність підвищилася у 1,21,3 раза.

7. Запропоновано процедуру з уточнення вибору посадок, які при зменшеній величині натягу забезпечують передачу таких же осьових зусиль і крутних моментів, як і рекомендовані стандартом ГОСТ 25347-82.

8. Результати теоретично-експериментальних досліджень впроваджені:

- у навчальний процес кафедр метрології, стандартизації та сертифікації; інженерної механіки та електромеханічних систем КНУТД та використовуються при викладанні дисциплін «Розрахунки з'єднань», «Взаємозамінність, стандартизація та технічні вимірювання», «Деталі машин», а також при курсовому, дипломному проектуванні та науково-дослідній роботі студентів;

- у сервісному центрі представництва холдингової компанії «NEW JACK CHINA» ТОВ «ТК Фурнітура» для модернізації складаних колінчастих валів та кривошипів машин легкої промисловості при сервісному обслуговуванні швейного обладнання та обладнання ВТО.

Список опублікованих праць за темою дисертації

1 Павленко В. М. Застосування методу фотопружності для розрахунку деформацій і напружень, які визначають якість з`єднань деталей із гарантованим натягом// ВІСНИК КНУТД. - №6. - 2006. - С. 41-47.

2 Павленко В. М. Визначення впливу напружень та деформацій на якість з'єднань із натягом. / В.М. Павленко, І.В. Петко, Д.Б.Головко // ВІСНИК КНУТД. - 2007. - №2. - С. 34-40. (Здобувачем було проведено експериментальні дослідження з визначення впливу пластичних деформацій, що виникають при складанні з'єднань з натягом на відхилення від циліндричності валу поза зоною контакту)

3 Петко І.В. Підвищення якості з'єднань з натягом, складених з використанням деформуючого протягування / І.В. Петко, В.М. Павленко // Процеси механічної обробки в машинобудуванні: Зб. наук. пр./ Відпов. ред. Г.М. Виговський, - Житомир.: ЖДТУ. - 2007. - Вип. 5: у 2-х ч. - Ч. 2. - С. 134-141. (Здобувачем запропонована технологія складання, яка дає можливість при зменшеному натягу забезпечити необхідну міцність з'єднань)

4 Павленко В.М. Розрахунок пружно-пластичних деформацій, визначаючих якість з'єднань із гарантованим натягом . / В.М. Павленко, І.В. Петко // ВІСНИК КНУТД. - 2007. - №3. - С. 46-54. (Здобувачем запропоновано метод розрахунку міцнісних характеристик з'єднань з натягом при виникненні пружно-пластичних деформацій в зоні контакту)

5 Павленко В.М. Визначення якісних характеристик з'єднань з натягом складених з пластичною проміжною втулкою. / В.М. Павленко, І.В. Петко // ВІСНИК Хмельницького національного університету. - 2008. - №2. - С. 145-150. (Здобувачем визначено за енергетичною теорією міцності верхню межу натягу, при якому в зоні контакту виникатимуть пластичні деформації)

6 Павленко В.М. Розрахунок величини натягу, що забезпечує високу якість з'єднань. / В.М. Павленко, І.В. Петко // ВІСНИК Хмельницького національного університету. - 2008. - №2. - С. 155-157. (Здобувачем обґрунтовано та запропоновано метод складання з'єднань з натягом з пластичною проміжною втулкою)

7 Павленко В.М. Визначення показників якості з'єднань з гарантованим натягом з урахуванням стану поверхневого шару контактуючих поверхонь деталей / В.М. Павленко, І.В. Петко // ВІСНИК КНУТД. - 2008. - №4. - С. 50-54. (Здобувачем запропоновано формулу для розрахунку приведеного натягу при умовах виникнення пластичних деформацій в зоні контакту)

8 Павленко В.М. Уточнення вимог застосування посадок , та згідно стандарту ГОСТ 25347-82 / В.М. Павленко, І.В. Петко, Г.І. Хімічева // Східно-Європейський журнал передових технологій. - 2009. - №2/5 (38). - С 38-41. (Здобувачем запропоновано алгоритм розрахунку заміни посадок з натягом, рекомендованих ГОСТ 25347-82, на менш напружені)

9 Павленко В.М. Нормування пластичних деформацій валу поза зоною контакту в з'єднаннях з натягом / В.М. Павленко, І.В. Петко, М.П.Галушка // ВІСНИК КНУТД. - 2010. - №1. - С. 51-57. (Здобувачем запропоновано метод визначення впливу величини натягу на зміну геометричної форми валу поза зоною контакту)

10 Павленко В.М. Оцінювання рівня якості з'єднань з натягом / В.М. Павленко, І.В. Петко, М.П. Галушка // ВІСНИК КНУТД. - 2010. - №3. - С. 43-46. (Здобувачем запропоновано метод оцінювання рівня якості з'єднань з натягом)

11 Павленко В.М. Забезпечення міцності та ремонтоздатності з'єднань з натягом в обладнанні легкої промисловості / В.М.Павленко, І.В Петко // ВІСНИК КНУТД. - 2011. - №2. - С. 85-88. (Здобувачем запропоновано метод забезпечення міцності з'єднань з натягом)

12 Пат. 32918 Україна, МПК B23Р 11/02. Спосіб з'єднання деталей з натягом; Павленко В.М., Петко І.В.. Заявл.26.12.07; Опубл. 10.08.2008, Бюл. №11, 2008. (Здобувачем розроблена ідея та істотні ознаки винаходу)

13 Пат. 33013 Україна, МПК B23Р 11/02. Спосіб з'єднання деталей з натягом; Павленко В.М., Петко І.В. Заявл.26.12.07; Опубл. 10.08.2008, Бюл. №11, 2008. (Здобувачем обґрунтовано запропонований спосіб і конструкції з'єднання)

Анотація

Павленко В.М. Удосконалення конструкцій з'єднань з натягом в машинах легкої промисловості. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.05.10 - машини легкої промисловості, Київський національний університет технологій та дизайну, Київ, 2011.

Дисертація присвячена розробці теоретичних та експериментальних методів удосконалення конструкцій машин легкої промисловості, до складу яких входять з'єднання з натягом. Метою дисертації є удосконалення існуючих конструкцій з'єднань з натягом в машинах легкої промисловості для забезпечення їх міцності при збереженні та мінімізації відхилення від циліндричності валу поза зоною контакту.

В машинах легкої промисловості застосовуються складані колінчасті вали, які складаються з великими величинами натягів. Основним параметром при складанні є міцність, яка залежить від конструктивних та технологічних факторів, таких як: метод складання, величина натягу, фактична площа контакту, коефіцієнт тертя, тощо. Для підвищення міцності з'єднань та збільшення фактичної площі контакту використовують натяги, при яких у зоні контакту виникають пружно-пластичні деформації. Вони викликають відхилення від циліндричності вала не тільки в зоні контакту, а і поза нею, що знижує працездатність та ресурс роботи механізмів машин легкої промисловості до складу яких входять з'єднання з натягом.

Пропонується спосіб складання з'єднання з натягом, який забезпечує збільшення фактичної площі контакту між з'єднуваними деталями за рахунок введення між ними проміжного пластичного тіла. На підставі експериментальних досліджень складаних колінчастих валів машин легкої промисловості підтверджуються значні переваги удосконаленої конструкції відносно існуючої. Застосування нового методу складання дозволяє уточнити процедуру вибору посадок, які при зменшеній величині натягу забезпечують передачу таких же осьових зусиль і крутних моментів, як і рекомендовані стандартом ГОСТ 25347-82

Ключові слова: машини легкої промисловості, з'єднання з натягом, складання, вал, втулка. напруження, деформації, зона контакту.

Аннотация

Павленко В.Н. Усовершенствование конструкций соединений с натягом в машинах легкой промышленности . - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.05.10 - машины легкой промышленности, Киевский национальный университет технологий и дизайна, Киев, 2011.

Диссертация посвящена разработке теоретических и экспериментальных методов усовершенствования конструкций машин легкой промышленности, в состав которых входят соединения с натягом. Целью работы является усовершенствование существующих конструкций соединений с натягом в машинах легкой промышленности при сохранении прочности и минимизации отклонения от цилиндричности вала вне зоны контакта.

В машинах легкой промышленности используются сборные коленчатые валы, которые собираются с большими величинами натягов. Основным параметром при сборке является прочность, которая зависит от конструктивных и технологичных факторов, таких как: метод сборки, величина натяга, фактическая площадь контакта, коэффициент трения и т.д. Для улучшения прочности соединений и увеличения фактической площади контакта используют натяги, при которых в зоне контакта возникают упругопластические деформации. Они, в свою очередь, вызывают отклонение от цилиндричности вала не только в зоне контакта, но за ней, что снижает работоспособность механизмов машин легкой промышленности, в состав которых входят соединения с натягом.

Предлагается способ сборки соединений с натягом, который обеспечивает увеличение фактической площади контакта между соединяемыми деталями за счет введения между ними промежуточного пластичного тела. На основе экспериментальных исследований сборных коленчатых валов машин легкой промышленности подтверждаются значительные преимущества усовершенствованной конструкции относительно существующей. Использование нового метода сборки позволяет уточнить процедуру расчета по выбору посадок, которые при меньшей величине натяга обеспечивают передачу таких же осевых усилий и крутящих моментов, как и рекомендованных стандартом ГОСТ 25347-82.

Ключевые слова: машины легкой промышленности, соединения с натягом, сборка, вал, втулка, напряжения, деформации, зона контакта.

Annotation

Pavlenko V.N.Improvement of joint constructions with tension in machines of light industry. - The manuscript.

Dissertation on obtaining of the candidate of the technical sciences degree speciality 05.05.10. - machines of light industry, Kyiv national university of technologies and design, Kiev, 2011.

Dissertation is devoted to the problem of elaboration of theoretical and experimental methods of light industry machines constructions improvements, such machines are consisted of tension joints.

The purpose of the dissertation is the perfection of existing constructions of tension joins in light industry machines for guarantee its strength in keeping and minimization of deviation from cylindricity of the shaft in extra contact zone.

There are complex crankshafts, implied in light industry, which are assembled with great values of tension. The main parameter is assembling is the strength, which is depended from construction and technological factors. They are the assembling method, the tension value, the fact contact square, the tension efficiency, etc.

For advancing the strength of joints and enlarging the fact contact square the tension are used, in such cases the strength-plastic deformations are coursed in contact zone. The implement the deviations from the shaft cylindricity and not only in contact zone, but also in extra zones. This decrease the work ability and the resource of mechanisms work of light industry machines with tension joints.

The method of assembling tension joints is offered here. This method guarantee the increase of fact contact square between joint details because of the investigation of space plastic body. On the basis of experimental research of the complex crankshafts of light industry machines the advantages of improvement of such constructions in according to already worked ones are confirmed. The obtaining of the new assembling method enables to make the details of the procedure of setting choice. The setting choices guarantee the transfer of the same axes forces and rotating movements in decrease tension value. They are recommended with GOST standard 25347-82.

Keywords: light industry machines, tension joints, assembling, shaft, plug, strength, deformation, contact zone.

Размещено на Allbest.ru

...