Влияние избирательного упрочнения на напряженно-деформированное состояние деталей соединений с натягом

Размещено на http://www.allbest.ru/

ВЛИЯНИЕ ИЗБИРАТЕЛЬНОГО УПРОЧНЕНИЯ НА НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОЕ СОСТОЯНИЕ ДЕТАЛЕЙ СОЕДИНЕНИЙ С НАТЯГОМ

Воячек Игорь Иванович

доктор технических наук, профессор кафедры «Технология машиностроения»

Кочетков Денис Викторович

кандидат технических наук, доцент кафедры «Теоретическая и прикладная механика и графика»

Фадеев Никита Александрович

магистрант

Пензенский государственный университет

Аннотация

В статье представлены результаты исследования влияния избирательного упрочнения на напряженно-деформированное состояние деталей соединений с натягом при нагружении изгибающей силой. Установлено, что технология избирательного упрочнения позволяет целенаправленно упрочнять наиболее нагруженные участки соединения и снижать затраты на дополнительные упрочняющие операции при сборке соединений с натягом.

Ключевые слова: избирательное упрочнение, изгибающая сила, коэффициент трения, Метод конечных элементов, соединения с натягом

Соединения с натягом (ССН) часто подвергаются нагружению изгибающей силой или моментом. Особенно негативное воздействие оказывают знакопеременные нагрузки, приводящие к относительному микроскольжению поверхностей вала и втулки в зоне их контакта и развитию фреттинг-коррозии. Также негативным фактором, особенно для вала, является концентрация напряжений, приводящая к появлению усталостных трещин.

В работе [1] установлено, что в большинстве случаев ССН при действии осевой нагрузки или крутящего момента нагружены неравномерно по длине и при сборке соединений целесообразно применять технологию избирательного упрочнения. Еще более неравномерно нагружены ССН при действии изгибающей силы, что подтверждено в работе [2].

В настоящей работе исследуется влияние избирательного упрочнения на напряженно-деформированное состояние ССН при нагружении изгибающей силой. Моделирование несущей способности соединения осуществляется методом конечных элементов для схемы нагружения, показанной на рисунке 1,а. На рисунке 1,б представлена твердотельная модель ССН.

а б

1 - вал; 2 - втулка

Рисунок 1. Схема нагружения ССН изгибающей силой и твердотельная модель ССН

При моделировании использовались следующие исходные данные: наружный диаметр втулки ; внутренний диаметр втулки ; диаметр вала; длина втулки (соединения) ; длина выступающей части вала ; материал втулки и вала - сталь 20 (, ). Таким образом, натяг в соединении принимался равным . Изгибающая сила прикладывалась к соединению в виде нагрузки , распределенной по торцу выступающей части вала (см. рисунок 1,б). Упрочнение ССН моделировалось изменением коэффициента трения ( и ). Соединение упрочнялось или по всей длине или избирательно только на наиболее нагруженном участке со стороны приложения изгибающей силы . Длина упрочненного участка варьировалась на двух уровнях и . Такое избирательное упрочнение легко реализовать при сборке ССН с нанесением анаэробных материалов (АМ), которые полимеризуются в зоне контакта и увеличивают силу трения [1-6].

Рисунок 2. Разность перемещений вала и втулки по оси х при действии изгибающей нагрузки. 1 - без нанесения АМ (); 2 - с нанесением АМ на длине (); 3 - с нанесением АМ на длине (); 4 - с нанесением АМ на длине ()

Критерием интенсивности воздействия нагрузки на соединение являлась, как и в работе [2], разность перемещений точек вала и втулки в зоне их контакта (по оси x) при действии эксплуатационной нагрузки и без нее. На рисунке 2 показана разность перемещений точек вала и втулки по оси x при приложении изгибающей нагрузки.

Результаты моделирования показывают, что по критерию разности перемещений точек вала и втулки при действии эксплуатационной нагрузки (кривая 1) соединение нагружено крайне неравномерно. Большая часть нагрузки воспринимается участком соединения со стороны приложения изгибающей силы на длине 20 мм. Максимальная разность перемещения вала и втулки в первой точке (кривая 1) составляет . Поэтому были смоделированы варианты избирательного (местного) упрочнения соединения путем нанесения АМ на участках (кривая 3), (кривая 4), которые сравниваются с упрочнением по всей длине соединения (кривая 2). При всех вариантах упрочнения относительные перемещения поверхностей вала и втулки существенно и примерно в равной степени уменьшаются в 4,7 - 4,8 раза в точке . При этом вероятность микросдвигов поверхностей вала и втулки, приводящих к фреттинг-коррозии и к потере соединением несущей способности, значительно снижается. Упрочнение по всей длине ССН к дополнительному эффекту не приводит.

Упрочнение ССН влияет на напряженное состояние соединяемых деталей. Что касается концентрации напряжений, то наиболее вероятно появление усталостных трещин на поверхности вала в точке , в которой при действии нагрузки увеличиваются растягивающие напряжения по оси x (рисунок 3). При сборке без упрочнения с 5,1 МПа до 95,5 МПа. При сборке с упрочнением по всем трем вариантам с (14 - 17) МПа до (149 - 152) МПа. Причем во всех вариантах упрочнения напряжения возрастают более значительно, чем без упрочнения (в 1,5 раза).

а)

б)

Рисунок 3. Осевые напряжения на поверхности вала (по х). 1 - без нанесения АМ (); 2 - с нанесением АМ на длине (); 3 - с нанесением АМ на длине (); 4 - с нанесением АМ на длине () а) при действии изгибающей нагрузки; б) возникающие при сборке деталей с натягом

избирательное упрочнение соединение натяг

Если данный уровень напряжений значителен по сравнению с прочностными характеристиками материалов деталей, то уменьшить концентрацию напряжений можно путем снижения уровня натяга. При этом сохраняется эффект уменьшения относительных микросдвигов точек вала и втулки при нанесении АМ (в 2,7 раза) и, следовательно, работоспособность ССН.

Другим известным способом повышения усталостной прочности вала является его поверхностно-пластическое деформирование на небольшом участке на краю ССН со стороны изгибающей нагрузки [7].

Таким образом, технология избирательного упрочнения позволяет целенаправленно упрочнять наиболее нагруженные участки соединения и снижать затраты на дополнительные упрочняющие операции при сборке ССН.

Библиографический список

1. Воячек И.И., Кочетков Д.В., Митясов С.Г. Применение анаэробных материалов для избирательного упрочнения соединений с натягом, нагруженных крутящим моментом // Системы проектирования, моделирования, подготовки производства и управление проектами CAD/CAM/CAE/PDM: сб. ст. VIII Междунар. науч.-практ. конф. - Пенза: Приволжский Дом знаний, 2014. - С. 11-15.

2. Воячек И.И., Кочетков Д.В., Митясов С.Г. Избирательное упрочнение соединений с натягом при сборке с анаэробными материалами // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. - 2015. - № 2 (34). - С. 192-204.

3. Воячек И.И., Кочетков Д.В. Влияние анаэробных материалов на распределение нагрузки в резьбовом соединении // Сборка в машиностроении, приборостроении. - 2010. - № 6. - С. 34-40.

4. Воячек И.И., Кочетков Д.В. Повышение функциональных характеристик резьбовых соединений при сборке с анаэробными материалами // Сборка в машиностроении, приборостроении. - 2009. - № 6. - С. 37-40.

5. Воячек И.И., Кочетков Д.В., Пшеничный О.Ф. Распределение нагрузки в резьбовом соединении типа стяжки при сборке с анаэробными материалами // Системы проектирования, моделирования, подготовки производства и управление проектами CAD/CAM/CAE/PDM: сборник статей X Международной научно-практической конференции. - Пенза: Приволжский Дом знаний, 2016. - С. 8-13.

6. Воячек И.И., Артемов И.И., Кочетков Д.В., Воячек Л.Г., Тразанов А.В. Способ получения резьбового соединения. Патент на изобретение, № 2413099 РФ; зарег. 27.02.11.

7. Кирпичев В.А., Букатый А.С., Чирков А.В. Прогнозирование сопротивления усталости поверхностно упрочненных гладких деталей // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. - 2012. - № 3 (23). - С.102-109.

Размещено на Allbest.ru