Развитие интегрированного метода оценки нагрузочной способности соединений с натягом

Размещено на http://www.allbest.ru/

На правах рукописи

Автореферат

Диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

развитие интегрированного метода оценки нагрузочной способности соединений с натягом

05.02.02 - Машиноведение, системы приводов и детали машин

Кабакова Анна Валерьевна

Ижевск 2008

Работа выполнена на кафедре «Мехатронные системы» ГОУ ВПО «Ижевский государственный технический университет»

Научный руководитель:

Доктор технических наук, профессор

Щенятский Алексей Валерьевич

(Ижевский государственный технический университет)

Официальные оппоненты:

Доктор технических наук, профессор

Умняшкин Владимир Алексеевич

(Ижевский государственный технический университет)

Кандидат технических наук,

Заместитель начальника отдела технического контроля

Лебедева Татьяна Николаевна

(ДОАО «Ижевский инструментальный завод»)

Ведущая организация:

Институт прикладной механики Уральского отделения

Российской академии наук, г. Ижевск

Защита состоится 26 ноября 2008 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 212.065.01 в Ижевском государственном техническом университете по адресу: 426069, Россия, УР, г.Ижевск, ул.Студенческая 7

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью, просим направлять по указанному адресу.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Ижевского государственного технического университета.

Автореферат разослан «____» «__________» 2008 года

Ученый секретарь

диссертационного совета

доктор технических наук, профессор __________ А.В. Щенятский

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы.

Соединения с натягом получили широкое распространение в машиностроении в связи с возможностью передавать большие по величине и различные по направлению нагрузки при сравнительно небольших габаритных размерах, что и обусловило их применение в ответственных узлах деталей машин, работающих продолжительное время в различных условиях нагружения и внешних средах. Трудно представить себе конструктивно наиболее эффективное и экономически выгодное решение по обеспечению нагрузочной способности (НС) соединений как крупногабаритных, так и минимашин, да ещё и с одновременным решением задач высокоточной сборки. Особый интерес для исследований представляет группа соединений с натягом, сохраняющих НС при многократном монтаже-демонтаже, обладающих большей надежностью и, одновременно, ремонтопригодностью, обусловленной возможностью сохранения сопрягаемых поверхностей путем введения в зону контакта масла под высоким давлением во время сборки-разборки.

Расчет нагрузочной способности соединений с натягом ведётся, в настоящее время, по известным зависимостям Ламе-Гадолина или численными методами, например, методом конечных элементов. При сборке, как правило, применяется фактический натяг, превышающий расчетную величину на 1,2 суммы высот микронеровностей сопрягаемых поверхностей. Фактическая величина натяга определяется путем измерения сопрягаемых поверхностей перед сборкой или контролем осевого перемещения (конические соединения). В работах Е.С. Гречищева, Л.Т. Балацкого, А.А. Ильяшенко, А.С. Зенкина, Г.А. Бобровникова, А.Л. Квитко, П.П. Ворошко и ряда других авторов, используется понятие контактной податливости стыка, которая учитывается в расчетах величины натяга. Контактной податливости стыка в гидропрессовых и многослойных соединениях уделено большое внимание и в работах учёных ИжГТУ: Абрамова И.В., Клековкина В.С., Турыгина Ю.В., Щенятского А.В. и др.

Успешное применение соединений с натягом во многом зависит: от конструкций и адаптированности к применяемому методу сборки; от правильного выбора и расчета геометрических параметров; от основных технологических факторов процесса сборки. Как показывает опыт, получаемый на практике результат, далеко не всегда соответствует расчетам, что связано с состоянием контактных поверхностей деталей соединений и погрешностью их изготовления. Следовательно, актуальным становится развитие методов неразрушающего контроля и мониторинга состояния соединений с натягом.

Исследования ряда зарубежных и отечественных специалистов в области неразрушающего контроля: Крауткремера Г., Крауткремера Й., Клюева В.В., Буденкова Г.А., Муравьёва В.В. и других, показали, что с помощью ультразвука можно определить изменение уровня отражения сигнала в различных точках контакта области сопряжения прессового соединения.

Интеграция результатов контроля зоны контакта акустическим эхо-импульсным методом с численным и аналитическим подходами к расчёту напряженно-деформированного состояния (НДС) является эффективным способом определения фактической нагрузочной способности соединений. Кроме того, акустический контроль дает возможность проследить за качеством создаваемых соединений. Совместное использование этих инструментов ранее не рассматривалось, однако очевидно, что оно позволит эффективно контролировать НС и состояние соединения во время сборки и эксплуатации. Таким образом, создание интегрированного метода оценки НС соединений с натягом, складывающегося из расчета и контроля результатов процесса сборки соединений, теоретической и экспериментальной оценки качества посадок с натягом, исследования напряжённо-деформированного состояния в зоне сопряжения деталей и прогнозирования эксплуатационного ресурса изделий, является актуальной задачей.

Целью работы является определение нагрузочной способности соединений с натягом, с учетом неравномерного контактного взаимодействия сопрягаемых поверхностей на основе интегрированного метода оценки.

Для реализации этой цели в работе решаются следующие задачи:

· Разработка метода оценки НС соединений с натягом на основе интеграции данных ультразвукового контроля контакта сопрягаемых деталей с аналитическим и численным подходами к расчёту соединений с натягом.

· Разработка методики измерения и оценки условий контактного взаимодействия деталей соединений с натягом методами неразрушающего контроля.

· Исследование влияния шероховатости, контактного давления и остаточной концентрации масла на уровень прохождения и отражения ультразвукового сигнала через область контакта сопрягаемых поверхностей.

Объект исследования: соединения с натягом, в том числе гидропрессовые (ГПС), получившие, в настоящее время, широкое распространение в машиностроении, вследствие существенных преимуществ, в сравнении с другими видами соединений.

Предмет исследования: средства и методы теоретико-экспериментальной оценки и контроля нагрузочной способности соединений с натягом, позволяющие осуществить синтез соединений с позиций повышения прочности, надёжности и нагрузочной способности.

Методы исследования. Теоретический анализ выполнен на базе аналитических, численных методов математического моделирования и их интеграции в единый комплекс. Численное моделирование использовано для уточнения результатов расчёта НС с учётом факторов, оказывающих влияние на НС в ходе создания соединения. Для оценки достоверности полученных расчетных данных проведен эксперимент. Для контроля фактических условий контакта и нагрузочной способности применен акустический метод контроля в сочетании с разработанной методикой уточнения НС.

Научная новизна:

1. Для аналитического и численного подходов к расчёту получены зависимости фактического натяга, напряженно-деформированного состояния и нагрузочной способности соединений от изменяющихся параметров контакта сопрягаемых деталей, устанавливаемых посредством эхо-импульсного метода ультразвукового контроля (УЗК);

2. Экспериментально получены зависимости акустических параметров (величины ослабления ультразвукового сигнала, коэффициента отражения и коэффициента прозрачности) от шероховатости сопрягаемых поверхностей, контактного давления, наличия масла или масляной плёнки в зоне контакта, его свойств, позволяющие определить изменение напряженно-деформированного состояния, условий трения в зоне сопряжения и, следовательно, нагрузочной способности соединений с натягом.

3. Разработан интегрированный теоретико-экспериментальный метод оценки фактического натяга, напряженно-деформированного состояния, нагрузочной способности соединений с натягом, объединяющий результаты эхо-импульсного контроля зоны контакта с неравномерным давлением в сопряжении, аналитический и численный подходы к решению задач механики деформируемого твердого тела. Объединение заключается в разработке методики и применении обработанных и представленных в виде зависимостей результатов эхо-импульсного УЗК в аналитической и численно-аналитической моделях соединения для определения НС.

Достоверность положений и выводов диссертации обоснована хорошей сходимостью теоретических исследований с экспериментальными результатами. Принципиальных расхождений результатов и выводов, полученных в работе, с результатами и выводами других авторов нет.

Практическая ценность. Применение численного и аналитического методов для решения задачи механики деформируемого твердого тела и усовершенствованной математической модели позволяет оценить и спрогнозировать НС соединений с натягом с учётом факторов, влияющих на НС в процессе создания и эксплуатации соединения. Разработанная методика применения акустического эхо-импульсного метода контроля позволяет получить данные о контакте поверхностей сопрягаемых деталей соединения, которые используются при уточнении и расчете и уточнении текущего напряженно-деформированного состояния (НДС) и НС. Разработанный теоретико-экспериментальный метод позволяет осуществлять мониторинг НС, эффективно контролировать состояние соединений, в том числе и гидропрессовых, например, посадок шестерня-ось бумагоделательных машин, шестерня-вал тягового двигателя электровоза и т.д.

Полученные теоретические результаты и экспериментальные данные о зависимости параметров акустического контроля от шероховатости, условий контакта, НДС (калибровочные кривые) могут использоваться для контроля и количественной оценки существующих соединений.

Методика применима для широкого класса соединений с натягом, полученных различными способами сборки.

Теоретические положения и практические рекомендации, изложенные в диссертации, использованы в учебном процессе на следующих кафедрах: «Мехатронные системы» - курс «Основы конструирования и детали машин»; «Приборы и методы контроля качества» - курсы «Акустический контроль» и «Методы технической диагностики материалов и конструкций».

Апробация работы.

Основные положения и результаты были доложены и обсуждались на научно-техническом форуме с международным участием «Высокие технологии - 2004» (Ижевск, ИжГТУ, 2004г.); XVII российской научно-технической конференции с международным участием «Неразрушающий контроль и диагностика» (Екатеринбург, ИМАШ УрО РАН, 2005 г.); II-ой международной научно-практической конференции «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности» (Санкт-Петербург, Политехн. ун-т, 2006г.); III-ей российской научно-технической конференции «Разрушение, контроль и диагностика материалов и конструкций» (Екатеринбург, ИМАШ УрО РАН, 2007г.); на научных семинарах кафедры «Мехатронные системы» (Ижевск, ИжГТУ, 2004-07г.г.)

Публикации:

По теме диссертации опубликовано 8 печатных работ, в том числе 2 в изданиях, рекомендуемых ВАК.

Структура и объем диссертации.

Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы, изложенных на 170 страницах машинописного текста и двух приложений; содержит 57 рисунков и графиков, 13 таблиц, список литературы из 194 наименований.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении отражена актуальность темы, определены цель и задачи исследования, научная новизна и практическая полезность работы, дана общая характеристика работы, информация об апробации и реализации результатов.

В первой главе «Теория, технология и контроль качества соединений с гарантированным натягом» проведен анализ современного уровня теоретических и прикладных исследований, отраженного в работах Ильяшенко А.А., Гречищева Е.С., Балацкого Л.Т., Берникера Е.И., Фёдорова Б.Ф., Абрамова И.В., и других ведущих ученых в области проектирования и контроля качества соединений с натягом, в том числе и гидропрессовых. Рассмотрены средства прогнозирования надежности и определены возможности оценки фактических натягов методами неразрушающего контроля, определения НДС и НС на основе интеграции результатов контроля зоны контакта эхо-импульсным методом с аналитическим и численными подходами к решению задач механики деформируемого твердого тела.

Анализ названных фундаментальных исследований таких ведущих ученых отечественного машиностроения, как Сатель Э.А., Балакшин Б.С., Колесников К.С., Баландин Г.Ф., Дальский А.М., Корсаков В.С. и других, указывает на исключительную важность повышения качества узлов и деталей машин на основе развития необходимых средств и методов обеспечения качества. По мнению этих ученых, проблема состоит в том, что достижение требуемого качества и эффективности создания ответственных соединений требует развития и внедрения высоких технологий, аналитических и численных методов расчёта и неразрушающего контроля в различные области машиностроения.

Изучены предпосылки развития методов компьютерного моделирования, повышения точности и достоверности расчетов НДС, методов исследования и оценки нагрузочной способности ответственных соединений с натягом. Обоснована возможность мониторинга НС соединений по результатам экспериментальных исследований методами неразрушающего контроля (НК). НК является одним из основных элементов технической диагностики, обеспечивающих надежность и безопасность эксплуатации конструкций, сокращения сроков испытаний и уменьшения затрат на ремонт. Методы НК обеспечивают целостность соединения и позволяют получать информацию, о его состоянии, без демонтажа. Кроме того, НК дает информацию о соответствии качества соединения результатам расчетов и позволяет установить изменение НДС и НС соединения.

Проведен обзор существующих исследований и разработок, принадлежащих Сибирскому государственному университету путей сообщения; ФГУП ПКБ ЦТ МПС России, являющемуся филиалом ОАО "РЖД"; Уральскому государственному университету путей сообщения, связанных с применением методов неразрушающего контроля для оценки качества соединений с натягом. Обзор показал, что существующие методики не обладают необходимой на практике эффективностью и не позволяют решать проблемы, связанные, в частности, с особенностями контроля соединений, выполненных гидропрессовым методом сборки. Ведущие в мире специалисты в области неразрушающего контроля немецкие ученые Крауткремер Г. и Крауткремер Й. применили к соединениям с натягом акустический эхо-импульсный метод неразрушающего контроля. Однако их методика позволила получать лишь качественную оценку.

В данной главе, автором, выявлены преимущества данного метода применительно к контролю соединений с натягом и поставлена задача разработки методики, позволяющей перейти от качественной оценки состояния соединения к количественной оценке и получения с помощью нее достоверных данных о состоянии и форме контактных поверхностей в собранном соединении и во время его эксплуатации. Обоснована также необходимость интеграции теоретических и экспериментальных методов исследования для достижения необходимого качества, его контроля и установления двусторонней связи между теорией и экспериментом для уточнения расчетов. На основе проведенного анализа сформулированы основные обобщенные задачи исследований.

Вторая глава посвящена развитию многокритериальной и многопараметрической концепции расчёта изделий и конструкций на основе соединений с натягом, исследованиям и оценке влияния различных факторов на величину нагрузочной способности, обобщению решения на случай конического соединения и комбинации материалов деталей соединения. Показана необходимость математического моделирования и применения компьютерных технологий при проектировании ГПС, с целью определения реальных НДС и нагрузочной способности, учета изменяющегося по радиусу и длине соединения фактического натяга путем учета плотности контакта на основе результатов, полученных эхо-импульсным методом.

Предложено применить методы численного моделирования для учета влияния НДС на эксплуатационную прочность соединений с натягом, в том числе и гидропрессовых, различных геометрических параметров, путем решения многосвязной контактной упругой и упругопластических задач. Многообразие прессовых соединений, комбинаций их составных частей приводит к тому, что при их проектировании необходимо наряду с анализом возможных вариантов конструкций учитывать и методы сборки, взаимное положение отклонений формы сопрягаемых поверхностей, вызывающих неравномерное распределение натяга, что обусловливает необходимость использования средств компьютеризованного проектирования.

При совершенствовании математической модели соединения с натягом и разработке соответствующего программного обеспечения, использована возможность точного решения задачи механики для обобщенной, пусть и идеализированной, модели, с точно заданными начальными и граничными условиями. Математической моделью соединения с натягом является система дифференциальных уравнений, описывающая процессы, происходящие в объекте с заданием начальных и краевых условий. Эта система уравнений известна под названием уравнений Ламе в механике сплошных сред.

Используемая математическая модель устанавливает связь нагрузочной способности соединения с натягом с его параметрами:

, (1)

где: - крутящий момент сил, приведенный к единице поверхности; A - осевая сила; T- комбинированная нагрузка (одновременное действие осевой силы и крутящего момента); Ми- изгибающий момент; Д - натяг в соединении; - контактное давление в сопряжении; d - диаметр посадки; d2 - внешний диаметр охватывающей детали; l - длина сопряжения; fтр - коэффициент трения, с поправкой на шероховатость поверхности и реологические свойства смазки.

Уравнения Ламе требуют уточнений, в особенности, по геометрии, шероховатости сопрягаемых деталей соединений разной длины, жесткости, погрешностей изготовления. Кроме того, необходимо при определении контактного давления учитывать роль технологических факторов в формировании НДС и условий трения в собранном соединении. Отмеченные факторы влияют на действительную величину контактного давления, что, в свою очередь, вызывает неточность определения НС при компьютерном проектировании.

Аналитические зависимости для определения различных видов нагрузки можно представить в обобщенном виде:

, (2)

где и - диаметр и длина посадки; - коэффициент трения; - контактное давление на сопряженных поверхностях; m, n или p могут принимать значения 0, 1, 2, x=1, -1 и y=-1, 0. Величины pк, d и fтр изменяются вдоль линии контакта по неизвестному закону. В общем виде контактное давление pк является функцией нескольких переменных pk= f(Драсч(l), d(l), С1(l), С2(l), fтр) и в простом случае имеет вид:

, (3)

где - расчётный натяг; С1 и С2 - коэффициенты Ламе; Е1, Е2 - модули упругости материалов охватываемой и охватывающей деталей. По pк находится расчётная величина натяга .

Исходя из требуемой нагрузочной способности для повышения точности расчетов на втором уровне компьютерного моделирования, опираясь на экспериментальные данные в виде таблиц и обобщенных данных, вводятся поправки на реальные условия, учитывающие конкретные условия сборки и эксплуатации соединения.

Предложено фактический натяг, обеспечивающий заданную НС, определять по зависимости:

, (4)

где: второе слагаемое учитывает снижение натяга вследствие смятия микронеровностей (Rz1 и Rz2 - шероховатости охватываемой и охватывающей деталей), а hсм - коэффициент, учитывающий реальное смятие микронеровностей, неравномерность контактного взаимодействия и плотность контакта, определяемый эхо-импульсным методом.

Такой подход реализует обратную связь в расчетах и обеспечивает возможность получения точной картины о распределении натяга, контактного давления, НДС при оценке НС, на основе результатов экспериментальных исследований, проводимых с использованием разработанной эхо-импульсной методики измерений.

Величина фактического натяга может быть усредненной для расчета по зависимостям Ламе или в виде функции вдоль оси или контактной поверхности соединения для расчета численными методами в осесимметричной и объемной постановках.



Рисунок 1. Блок-схема интегрированной математической модели

соединение деталь конструкция натяг

При усложнении конструкции деталей, входящих в соединение предложена интеграция аналитического и численного методов расчёта, реализованная в математической модели (рисунок 1).

Разработана программа определения НС соединения (программная оболочка) с учетом аналитического решения. Модульный принцип построения позволяет использовать преимущества численного моделирования на отдельных этапах программы, либо при переходе к более сложной геометрии деталей, когда величины изменяются вдоль линии контакта непрерывно или дискретно.

Разработан алгоритм проектирования соединения, состоящий из пяти основных модулей. Программа строит графическую зависимость нагрузочной способности прессового соединения от величины натяга, обеспечивает учет коэффициента запаса прочности.



а) б)

в) г)

Рисунок 2. Результаты численного моделирования и расчета соединения: с натягом: а) радиальные напряжения; б) интенсивность напряжений; в) радиальные перемещения; г) осевые перемещения.

Проведено моделирование и расчет НДС и НС гидропрессового соединения, определены фактические условия контакта и перемещения сопрягаемых и внешних поверхностей деталей и построена картина контакта сопряжения (рисунок 2).

Установлена возможность уточнения реального натяга по величине сигнала отражения эхо-импульсным методом неразрушающего контроля. Уточнение может осуществляться как по перемещениям, так и по контактному давлению. Во втором случае задача решается итерационным методом.

Третья глава посвящена развитию технологии неразрушающего контроля посадок с натягом с помощью ультразвука (УЗ), разработке методики контроля соединений с натягом после сборки и во время их эксплуатации, оценке НДС и НС объекта исследования акустическим эхо-импульсным методом.

Необходимая прочность элементов конструкций обеспечивается в машиностроении еще на стадии их проектирования. Однако изменение свойств материала в процессе эксплуатации, не говоря уже о различных нарушениях технологии производства и сборки, требует развития и применения методов и средств оценки реальной нагрузочной способности материала в конструкции. Методы акустического контроля, совместно с имеющимися штатными приборами дефектоскопии, позволяют реализовать принципиально новые решения в диагностике и оценке НС соединений с натягом, поскольку в основе методов лежит механическая нагрузка и отклик на нее испытуемого объекта. Однако до настоящего времени не удавалось установить количественные взаимосвязи между коэффициентом отражения ультразвука и контактным давлением на поверхности посадки, обеспечивающим плотность посадки. В предлагаемых методах не была предусмотрена возможность учета поглощения ультразвука в металле, рассеяния и расхождения ультразвукового луча. Амплитуда эхо-импульсов последующих серий отличается от предыдущих из-за величины коэффициента прозрачности границы датчик-объект контроля, которая зависит от геометрии поверхности объекта контроля, чистоты обработки, контактной жидкости, радиуса поверхности посадки, от кривизны поверхности границы объект контроля (ОК) - пьезоэлектронный преобразоватль (ПЭП). Разработанные ранее методики понятны и приемлемы для контроля, но позволяют произвести лишь качественную оценку посадок с натягом.

В связи с этим предложена другая методика оценки качества соединений - посадок с натягом, неразрушающим ультразвуковым эхо-импульсным методом, которая отлажена при исследовании целого ряда образцов. Реализация методики осуществляется с помощью следующих средств:

1. Ультразвуковой эхо-импульсный дефектоскоп с прямыми пьезопреобразователями и соединительными кабелями.

2. Образец.

3. Объект контроля - соединения с натягом.

В качестве образца используется втулка или её сектор, без внутренних дефектов (нарушений сплошности металла), выявляемых на рабочих частотах. Размеры сектора выбираются так, чтобы первый и второй эхо-импульсы от внутренней поверхности не претерпевали отражений от боковых поверхностей и противоположных им. Металл образца тот же, что металл объекта контроля, чистота обработки цилиндрических поверхностей та же, что и в ОК.

Рисунок 3. Эхограмма на образце:

x - соответствует толщине охватываемой детали

Контроль производится следующим образом: ПЭП-1 устанавливается на образец через контактную жидкость. На экране дефектоскопа измеряется отношение амплитуды первого донного импульса U1 к амплитуде второго донного импульса U2 (рисунок 3). Поскольку это отношение получено экспериментально, то оно автоматически учитывает, а точнее включает в себя поглощение и рассеяние (то же, что и в ОК), расхождение волн, геометрию образца, чистоту обработки поверхностей, свойства контактной жидкости.

Экспериментально установлено, что качество посадки удобно оценивать по коэффициенту отражения от контролируемой области посадки, который определяется следующим образом:

(5)

где R=0,485-значение коэффициента отражения в образце в виде втулки (от внутренней свободной поверхности) с учетом всех факторов, влияющих на изменение отношения (U2/U1); R*- коэффициент отражения от посадки.

Таким образом, одной из решенных задач третьей главы, является разработка методики количественной оценки фактической величины натяга Дфакт, по результатам измерения коэффициента отражения ультразвуковой волны R* от зоны сопряжения, которая, при определённых условиях, идентифицируется в данной методике как дефект. Установление количественной связи R* = Дфакт(Rz) позволяет дать точную оценку качества посадок УЗ эхо-импульсным методом, как на дискретных локализованных участках посадки, так и осреднённое значение по всей поверхности. По известной шероховатости и сигналу отражения можно уточнить натяг и распределение рк по длине и поверхности контакта, возникновение пластических деформаций, а при известном радиусе цилиндрической поверхности посадки и коэффициенте трения определить натяг и допустимую нагрузку. Измерение локальных значений давления позволяет оценить влияние погрешностей изготовления деталей, в том числе погрешностей обработки посадочных поверхностей, на фактический натяг, учесть возможные отклонения в технологическом процессе получения посадки и при необходимости откорректировать сам процесс.

Дальнейшее развитие эхо-импульсного метода связано с возможностью «паспортизации» НДС объекта (получения своеобразного «диагностического портрета») и сравнения с предыдущим состоянием при очередном обследовании. В нашем эксперименте параметрами паспортизации выступают ослабление УЗ сигнала Nдб (рисунок 4) и коэффициент отражения ультразвуковой волны от зоны сопряжения R*.



Рисунок 4. Диаграммы зависимости ослабления УЗ сигнала Nдб от натяга в среднем сечении прессовых соединений с разным натягом

Динамика изменения состояний отображается в накопленной информации и создает условия для решения задач количественной интегральной оценки НС и эксплуатационного ресурса соединений с натягом.

Основываясь на результатах исследований, описанных во второй и третьей главах работы, ясно, что данные, полученные с помощью разработанного программного обеспечения для расчета зависимости натяга от нагрузки, применимого при моделировании соединений с натягом различной сложности с учетом их критериальных и габаритных ограничений, а также зависимости, полученные экспериментально, позволяют судить о состоянии соединения в целом, но, что ещё более важно, они могут быть использованы для оценки эксплуатационного ресурса при заданных габаритах и силах возникающих в соединении.

Коэффициент отражения УЗ волны от зоны сопряжения соединений с натягом зависит от шероховатости контактирующих поверхностей, величины контактного давления в посадках с натягом, остаточной толщины воздушной или масляной прослойки и её отношения к длине волны.

Исследования, проведенные на образцах с плоской контактной поверхностью для разных значений шероховатости (рисунок 5) показали, что при уменьшении шероховатости коэффициент отражения R уменьшается, что говорит об улучшении условий контакта, и в реальном соединении будет свидетельствовать о более высоком качестве сопряжения. Зависимость R от нагрузки для разных шероховатостей носит нелинейный характер, асимптотически приближается к определенной величине (пределу текучести), значение R стабилизируется.

Рисунок 5. Калибровочные зависимости коэффициента отражения от нагрузки для разных значений шероховатости

При введении в зону контакта смазок различной вязкости (рисунок 6) установлено, что существует явно выраженная зависимость коэффициента отражения от используемой в соединении смазки, наличие которой не препятствует выявлению влияния контактного давления на R. При давлении, близком к пределу текучести материала деталей, величина R стабилизируется.



Рисунок 6. Зависимости коэффициента отражения от нагрузки при введении в зону контакта смазок различной вязкости (автол, солидол - не указан)

Этот результат является неожиданным и новым, поскольку ранее считалось, что вязкость смазки практически не влияет на получаемые при измерениях данные. Но для уточнения механизма зависимости акустических характеристик сопряжения от свойств смазки необходимо проведение более глубоких, всесторонних и самостоятельных исследований.

Четвертая глава диссертации посвящена применению разработанной методики акустического контроля для определения фактической нагрузочной способности соединений с натягом, а также представлена инженерная методика применения теоретико-экспериментального метода.

Разработанная методика применима в контроле ГПС. Она позволяет установить количественную взаимосвязь между коэффициентом отражения ультразвуковых волн и натягом. На рисунке 7 показана взаимосвязь напряжений, действующих в соединении и коэффициента отражения, то есть R* = f(уr).



Рисунок 7. Зависимость коэффициента отражения ультразвука от условий контакта сопрягаемых поверхностей прессового соединения

Описанный выше эхо-импульсный метод используется для исследования влияния условий контакта на качество прессового соединения, поскольку при правильном выборе частоты, коэффициент отражения УЗ волны зависит и от величины нормального давления, действующего в соединении, и состояния контактирующих поверхностей (шероховатость, смазка и т.д.). Обнаружение посадки, и оценка её состояния основывается, на отражении УЗ колебаний от границы раздела сред, как от дефекта. Наиболее сильное отражение, конечно же, происходит на свободной границе раздела - металл-воздух. Однако и на микропустотах, раковинах и т.п., заполненных воздухом, лаком или маслом, также будет происходить отражение из-за существенного различия их удельных волновых сопротивлений.

Исследование влияния контактного давления, шероховатости, наличия смазки, осуществлялось на конических и плоских образцах. Изменение pк обеспечивалось осевым натягом или прессом.

Внешний вид экспериментальной установки приведен на рисунке 8.

Измерительный комплекс включает в себя дефектоскоп Дук-66 (2), пьезопреобразователь на рабочей частоте 2,5 МГц, применяемый обычно при контроле материалов и изделий из стали. Диаметр пьезопластины DПП = 12·10м, что вполне достаточно для обеспечения хорошего акустического контакта при данных размерах объекта контроля. Две бобышки цилиндрической формы (d1 = 20мм; d2 = 26мм) (3) и деталь цилиндрической формы со встроенным пьезопреобразователем (4), шероховатости поверхностей которых варьировались. Гидравлический пресс УГ - 20 (1), с максимальной нагрузочной способностью 20 тонн.

Рисунок 8. Экспериментальная установка

Обоснована методика приведения результатов испытаний плоских и цилиндрических образцов. Показано, что возможность пересчета позволяет использовать результаты исследования зависимости коэффициента отражения УЗ волны, характерного для зоны сопряжения, от величины контактного давления, действующего в соединении и создаваемого внешней нагрузкой, при различной шероховатости контактирующих поверхностей, остаточной толщины воздушной или масляной прослойки, для калибровки результатов проектирования и исследованиях эксплуатационного ресурса соединений с натягом.

Полученные графические зависимости применяются в инженерной методике для уточнения значения фактических параметров соединения.

Рекомендуется при определении среднего значения коэффициента отражения по поверхности контакта использовать формулы Ламе, а затем, имея дискретные значения R в реперных точках применить численные методы для расчета фактического натяга и НС.

Как показано выше, среди соединений с натягом особо выделяются гидропрессовые соединения, в связи с тем, что могут подвергаться многократной сборке-разборке без повреждения сопрягаемых поверхностей.

Гидропрессовый метод сборки (ГПМС) непрерывно развивается, область его применений расширяется. Его широко используют не только для сборки-разборки неразъемных соединений, но и для решения ряда других практических задач. Так, например, одним из перспективных направлений использования ГПМС являются раздвижные колесные пары (РКП) железнодорожного транспорта.

Перспективным также на наш взгляд является применение ультразвука не только для определения формы контактных поверхностей и наличия смазки между ними, или возникновения упруго-пластических деформаций в зоне сопряжения, но и для определения усталостных повреждений на ранних стадиях их зарождения. Величиной, несущей достоверную информацию о нагрузочной способности ГПС и её изменениях, является коэффициент отражения ультразвука от напряженно-деформированной области ГПС.

Показано, что R*=f(уr) и существенно зависит от материала, шероховатости контактирующих поверхностей и типа смазки, применяемой при ГПМС РКП. Следовательно, разработанная методика позволяет решить проблему во всей её глубине, так как практически все кинематические изменения на контактной поверхности, в том числе и вызванные разогревом соединения в процессе эксплуатации, или деформацией, приводят к малым, но вполне измеримым изменениям коэффициента отражения. Апробация эхо-импульсного УЗ метода подтвердила его работоспособность. Простота и универсальность метода позволит внедрить его для проведения НК соединений и других деталей и узлов подвижного состава, таких как буксовые узлы колесной пары тележки грузовых вагонов (ослабление посадки внутренних колец буксовых роликоподшипников на шейке оси), бандажи колесных пар (контроль натяга) и т.п.

Заключение и выводы по диссертационной работе

По работе можно сделать следующие выводы:

1. Предложен интегрированный метод, основанный на объединении возможностей аналитического и численного решения задач механики деформируемого твердого тела, учитывающий реальные величины натягов, определенные экспериментально и приведенные в виде функции от числа сборок-разборок, времени, типа и давления масла и других факторов, а также, использования в расчетах данных эксперимента, обработанных и представленных в виде функции о величине ослабления акустического сигнала, или изменения его коэффициента отражения в зависимости от типа соединения, величины натяга, шероховатости, остаточного давления масла, позволяющий определять НДС и НС через выше указанные акустические параметры и результаты расчетов.

2. Разработан алгоритм расчета и оптимизации проектирования соединений с натягом. В полном объеме решена задача компьютеризованного инжиниринга соединений с натягом на основе языка «Delphi», существенно расширяющем его вариативные возможности.

На основе компьютерного эксперимента, проведенного с помощью разработанного программного обеспечения, установлена зависимость нагрузочной способности от натяга для разных соединений.

3. Автором исследований разработана для прессовых соединений новая методика измерений на основе акустического эхо-импульсного метода контроля. Экспериментально установлено, что предложенный метод достоверно, с погрешностью ? 20%, определяет возникновение упругопластических деформаций в зоне контакта и позволяет учитывать изменение НДС в ГПС после снятия давления масла и выжимания последнего из зоны сопряжения.

4. На базе разработанной методики и ультразвукового метода контроля установлена зависимость НДС в зоне сопряжения деталей от натяга, позволяющая решать задачи эксплуатационного ресурса ГПС. Для прогнозирования эксплуатационного ресурса ГПС предложено использовать не только методы статистического анализа накопленных данных, но и средства ультразвукового контроля, созданные на основе разработанной методики. Получены количественные данные о натяге, НДС в зоне сопряжения реализованных изделий, подтверждены расчетные характеристики НС соединений.

5. Создана экспериментальная установка, разработана методика контроля, анализа и интерпретации, полученных УЗ эхо-импульсным методом, данных о параметрах нагруженного соединения. Установлено, что коэффициент отражения R нелинейно зависит от условий контакта сопрягаемых поверхностей (давления, шероховатости, смазки).

6. Экспериментально установлена взаимосвязь коэффициентов потери натяга и отражения ультразвука от условий контакта сопрягаемых поверхностей, уровня НДС, эксплуатационных факторов. Обоснована возможность обобщения и пересчета результатов эксперимента, полученных на образцах с плоской поверхностью, к образцам цилиндрической формы, показана необходимость построения калибровочных кривых для количественной оценки НС соединений, в том числе гидропрессовых.

7. Установлена возможность применения и проведена апробация разработанного теоретико-экспериментального метода для контроля гидропрессовых соединений с натягом и оценки НС раздвижных колесных пар.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах

1. Schenyatskiy A.V. Numerical-analytical methods in perfection of assembly technique of joints in main machines units / A.V. Schenyatskiy, E.V. Kulish, M.M. Abashev, A.V. Ivannikova (A.V. Kabakova) // International journal for Engineering and Information Sciences “Pollack Periodica”. Volume 1, Number 2, August 2006. Akademiai Kiado, Budapest, Hungary. - p. 71-82.

2. Буденков Г.А. Исследование и оценка напряжённо-деформированного состояния и нагрузочной способности соединений с натягом акустическим эхо-методом / Г.А. Буденков, В.П. Иванников, А.В. Иванникова (А.В. Кабакова), А.В. Щенятский // «Вестник Ижевского государственного технического университета» науч.-теор. журнал. №2 (34), апрель-июнь 2007.-Ижевск: Изд-во ИжГТУ, 2007. - С. 44-48.

3. Буденков Г.А. Исследование и оценка напряженно-деформированного состояния и нагрузочной способности соединений с натягом акустическим эхо-методом / Г.А. Буденков, В.П. Иванников, А.В. Иванникова (А.В. Кабакова) // «Датчики и системы», науч.-технич. и произв. журнал. №5, май 2008г. -Москва: Изд-во «СенСиДат», 2008г.

4. Абрамов И.В. Численно-аналитические методы в САПР гидропрессовых соединений / И.В. Абрамов, А.А. Лузгин, А.В. Иванникова (А.В. Кабакова), А.В. Щенятский // Высокие технологии - 2004: Сборник трудов науч.-техн. междун. форума в 4-х частях. Ч. 3. - Ижевск: Изд-во ИжГТУ, 2004. - С. 3-8.

5. Иванников В.П. Возможности применения компьютерных технологий в научном приборостроении и промышленности / В.П. Иванников, А.В. Иванникова (А.В. Кабакова) // Высокие технологии, фундаментальные и прикладные исследования, образование: Сборник трудов второй междун. НПК «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности» (07-09.02.2006, С.-Пб., Россия). Том 5. - С.-Пб.: Изд. политех. университета, 2006. - С. 124-125.

6. Буденков Г.А. Акустические методы контроля прессовых соединений / Г.А. Буденков, В.П. Иванников, А.В. Иванникова (А.В. Кабакова), А.В. Бечегов // Приборостроение в XXI веке. Интеграция науки, образования и производства: Труды III науч.-техн. конф. (Ижевск, 14-15 апреля 2006г.) - Ижевск: Изд-во ИжГТУ, 2007. - С. 202-220.

7. Иванникова А.В. (А.В. Кабакова) Оценка напряженно-деформированного состояния и остаточного ресурса изделий и конструкций на основе гидропрессовой сборки / А.В. Иванникова (А.В. Кабакова), А.В. Щенятский // Неразрушающий контроль и диагностика: Тез. докл. XVII Российской науч.-техн. конф. с междун. участием. (Екатеринбург, 5-11 сентября 2005 г.) - Екатеринбург: Изд-во ИМАШ УрО РАН, 2005. - С. 299-300.(Полная версия доклада внесена в электронный сборник Материалов XVII Российской НТК).

8. Буденков Г.А. Развитие теоретико-экспериментального метода оценки нагрузочной способности прессовых соединений / Г.А. Буденков, В.П. Иванников, А.В. Щенятский, А.В. Иванникова (А.В. Кабакова) // Разрушение, контроль и диагностика материалов и конструкций: Тезисы III Российской науч.-техн. конф. (Екатеринбург, 24 - 26 апреля 2007 г.) - Екатеринбург: Изд-во ИМАШ УрО РАН, 2007. - С. 123.

Размещено на Allbest.ru

...