На правах рукописи

Рожкова Елена Александровна

ТЕОРИЯ И МЕТОДЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ПРОФИЛЬНЫХ

НЕПОДВИЖНЫХ НЕРАЗБОРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ С РАВНООСНЫМ

КОНТУРОМ С НАТЯГОМ

Специальность 05.02.02 – Машиноведение, системы приводов и детали машин

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Чита – 2014 2

Работа выполнена в Забайкальском институте железнодорожного транспорта филиале федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Иркутский государственный университет путей сообщения» (ЗабИЖТ ИрГУПС) Ильиных Виктор Анатольевич, к.т.н, доцент

Научный руководитель:

кафедры «Прикладная механика и инженерная графика» Забайкальского института железнодорожного транспорта ФГБОУ ВПО «ИрГУПС»

Официальные оппоненты: Моргунов Анатолий Павлович, д.т.н., профессор, зав. каф. «Технология машиностроения»

ФГБОУ ВПО Омский государственный технический университет Балбаров Вячеслав Самбуевич, к.т.н., доцент, зав.каф. «Механика и основы конструирования» ФГБОУ ВПО Восточно-Сибирский государственный университет технологий и управления ФГБОУ ВПО Национальный исследователь

Ведущая организация:

ский иркутский государственный технический университет

Защита диссертации состоится «27» июня 2014 г. в 12-00 часов на заседании совета по защите кандидатских и докторских диссертаций Д 212.018.02 при ФГБОУ ВПО «Братский государственный университет» (БрГУ), по адресу:

665709, Иркутская область, г. Братск, ул. Макаренко 40.

Тел: (8-3953) 32-53- E - mail : [email protected]

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Братский государственный университет».

Отзывы на автореферат в 2-х экземплярах заверенные печатью организации, просим направлять по адресу диссертационного совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 212.018.02, ученому секретарю.

Автореферат разослан «20» мая 2014 г.

Ученый секретарь диссертационного соИ.М.Ефремов вета кандидат технических наук, доцент

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Как известно, одним из наиболее ответственных сопряжений в кинематических и силовых цепях машин являются соединения служащие для передачи крутящего момента.

В последнее время в ряде промышленных стран (Российской Федерации, Германии, Венгрии, Швеции, Великобритании и др.) нашли применение моментопередающие РК-профильные соединения (профильные соединения с равноосным контуром). РК-профильное соединение обладает свойством равноосности, что значит неизменность расстояния между двумя параллельными касательными.

В практике машиностроения зарубежных стран РК-профильные соединения используются в коробках скоростей и гитарах токарных полуавтоматов, выпускаемых фирмами «Pitller», «Bamessberger», в двигателях строительных машин «Volvo», кузнечно-прессовом оборудовании, а также в инструментальных системах «Heinlein» и др.

Согласно работам Тимченко А.И. профильные соединения с равноосным контуром применяют как в силовых механизмах для передачи большого крутящего момента, так и в механизмах, предназначенных, для точной передачи вращательного движения, а также в реверсируемых механизмах.

Достаточно хорошо исследованы неподвижные разборные РК-профильные соединения с гарантированным зазором с числом граней равных трём. В работах Боровича Л.С. профессора Косова М. Г., Тимченко А. И., доцента Индакова Н.С., разработаны основы технологии изготовления РК-профильных соединений с числом граней равных трём, а также методика расчёта на контактную жёсткость, прочность, износ и точность неподвижных нереверсируемых РК-профильных соединений.

В тоже время остаётся ряд нерешённых задач расчёта и конструирования РКпрофильных соединений с натягом.

Несмотря на значительные результаты, в области изучения напряжений и деформаций при контактном взаимодействии твёрдых тел разнообразных форм полученные в работах Решетова Д.Н., Дунаева П.Ф., Иосилевича Г.Б., Тарабасова Н.Д., Биргера И.А., Шорра Б.Ф., Чичинадзе А.В., Моргунова А.П., остаётся нерешённым ряд задач представляющих научную и практическую ценность. Как показал анализ теоретических и экспериментальных исследований неподвижных разъёмных и неразъёмных соединений (цилиндрических, профильных) остаются нерешёнными задачи, в частности по выбору геометрической формы контурных кривых, величины натяга профильных неподвижных, неразборных соединений с равноосным контуром. Известные из теории упругости решения подобных задач не могут быть непосредственно использованы в рассматриваемом случае вследствие особенности, а именно, формы поперечного сечения деталей соединения, представленной в виде замкнутой контурной кривой с равноосным контуром.

Целью диссертационной работы является обеспечение работоспособности РК-3 профильных соединений с натягом на основе оценки прочности и жесткости деталей соединения.

Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи:

1. Разработать методику расчета напряжений и деформаций в РК-3 профильном соединении вала и ступицы с натягом.

';

2. Провести экспериментальное исследование процесса сопряжения деталей РК-3 профильного соединения для определения усилий запрессовки и выпрессовки деталей соединения.

3. Провести экспериментальное исследование методом тензометрии с целью оценки влияния конструктивных параметров и внешних нагрузок на напряженно – деформированное состояние деталей соединения.

4. Разработать таблицы сравнительных характеристик для выбора конструктивных параметров и внешних нагрузок РК-3 профильного соединения с натягом.

Научная новизна работы:

1. Создана расчетно-аналитическая модель РК-3 профильного соединения с натягом, предназначенная для анализа влияния конструктивных параметров соединения и внешних нагрузок на напряженно-деформированное состояние деталей соединения.

2. Разработана методика расчета РК-3 профильного соединения с натягом позволяющая оценить напряженно-деформированное состояние деталей соединения.

3. Разработаны технические рекомендации для рационального выбора конструктивных параметров и внешних нагрузок РК-3 профильного соединения с натягом.

Практическая значимость исследований заключается в разработке методики расчета и конструирования РК-3 профильных соединений с натягом и рекомендаций по выбору и назначению конструктивных параметров РК-3 профильных соединений для различных условий эксплуатации, а также в разработке методики моделирования взаимодействия деталей РК-3 профильного соединения с натягом нагруженного крутящим моментом на основе МКЭ.

Методы исследования, применяемые в работе, основаны на использовании теории упругости, подобия и размерностей, методе конечных элементов (МКЭ), статистического анализа обработки экспериментальных данных, теории тензометрии, МНК.

Достоверность результатов подтверждается результатами математического расчета, а также результатами экспериментальных исследований проведенных на лабораторном стенде, выполненных автором и проверенных по критерию Фишера.

Внедрение результатов работы:

Результаты работы внедрены на ООО «РМЗ» г. Краснокаменск в виде РК- профильного соединения вала и ступицы с натягом в полумуфтах насосных агрегатов 3К-6 и в полумуфтах толкателей КТ-9. Также в дирекции по ремонту тягового подвижного состава – филиала ОАО «РЖД» г. Чита, взамен соединений валшестерня, используемых в тяговых электродвигателях.

Апробация работы. Основные результаты научных исследований обсуждались на научных семинарах ИрГУПСа, Забайкальского института железнодорожного транспорта и Братского государственного университета. Доклады по результатам исследований были представлены на следующих научных конференциях:

XII международной молодежной конференции научно-практической конференции «Молодежь Забайкалья: перспектива развития края» (Чита – 2008); Международной научно-практической конференции «Развитие транспортной инфраструктуры основы роста экономики Забайкальского края» (Чита – 2008); Международной научно-практической конференции посвященной 55-летию ЗабИЖТ «Проблемы трансферта современных технологий в экономику Забайкалья и железнодорожный транспорт» (Чита – 2011); Международной научно-практической конференции «Молодежь и наука: новые взгляды и решения» (Волгоград – 2011); III Всероссийской научно - практической конференции с международным участием «Транспортная инфраструктура Сибирского региона» (Иркутск – 2012); XVI Всероссийской научно-практической конференции посвященной 175-летию российских дорог «Проблемы и перспективы развития железнодорожного транспорта России» (Красноярск – 2012); IV Всероссийской научно - практической конференции с международным участием «Транспортная инфраструктура Сибирского региона» (Иркутск – 2013).

Публикации. Результаты исследований изложены в 13 научных работах, из которых 1 положительное решение на полезную модель, 4 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов, списка используемой литературы из 128 наименований, трех приложений. Общий объем работы – 182 страницы, включая 29 таблиц, рисунка.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы исследования, дается краткая характеристика диссертационной работы, определена научная новизна, отражены основные научные положения, выносимые на защиту.

В первой главе произведён краткий обзор работ, посвящённых расчёту и конструированию моментопередающих соединений. Рассматриваются конструктивные разновидности профильных соединений с равноосным контуром. Согласно работам Тимченко А.И. контурные кривые профильных соединений можно разделить на два вида: непрерывные и прерывные (срезанные).

В машиностроении наиболее часто применяются следующие профильные соединения: с тремя гранями (РК-3); с тремя срезанными (РКс-3); с четырьмя срезанными (Кс-4) и с пятью гранями (РК-5 и РКс-5).

Согласно данным работы Зенина Н.В. различают цилиндрическое и конусообразное исполнение профильных соединений с равноосным контуром.

В традиционном цилиндрическом исполнении РК-профильные соединения могут быть изготовлены с различными посадками. В работе Ильиных В.А. доказана возможность использования РК-профильных соединений с числом граней равным трём в качестве неподвижных нереверсируемых для посадок с гарантируемым зазором типа H 7 ; H 7 ; H 7. Соединения с зазором являются разборными, что обеспечивает их многократную сборку и демонтаж. Анализ работ Индакова Н.С., Зенина Н.В, Р. Мюзиля, Ф. Данцера, показывает, что, несмотря на значительные преимущества РК-профильных соединений по сравнению с традиционными область применения моментопередающих соединений РК-3; РК-5, а также их модификаций РКс-3; РКс-5 выполненных по посадкам с гарантированным зазором ограничивается знакопостоянной нагрузкой. В случае знакопеременной нагрузки необходимо использовать соединения с натягом. Как показывает анализ последствий и опыт промышленности по эксплуатации цилиндрических соединений с натягом в ряде случаев, а именно, в условиях динамического нагружения, нередки случаи потери соединением несущей способности, выражающиеся в осевом или окружном сдвиге деталей соединения. Как следует из работы Эрленкова С.В., в условиях динамических нагрузок работает более 60% всех соединений с гарантированным натягом, в то же время необходимо отметить, что в условиях периодической знакопеременной нагрузки при передаче крутящего момента работает до 14%, а при передаче крутящего момента и осевой силы до 8% соединений с натягом. В этих условиях, прочность соединений обеспечивается путём многократного увеличения натяга за счёт конструктивных и технологических изменений, а также введением дополнительных крепёжных элементов, что увеличивает себестоимость изготовления соединений от 20% до 100%, а также ведёт к увеличению концентрации напряжений. Недостатком прессовых цилиндрических соединений является то, что в зависимости от предписанной величины натяга прессовые соединения либо демонтируются с трудом, либо оказываются неразборными, что затрудняет замену повреждённых или изношенных деталей и увеличивает время и стоимость ремонтных работ. Кроме того увеличение натяга способствует появлению нелинейных физических процессов (пластичности и ползучести). В процессе работы такого соединения натяг интенсивно уменьшается, что в конечном итоге приводит к потере работоспособности цилиндрического соединения.

Это обстоятельство, а также неизбежные при изготовлении соединений с гарантированным натягом высокие относительные затраты из-за необходимости узких полей допусков, приводят к тому, что РК-профильные соединения могут быть заменой для соединений, передающих момент цилиндрическими поверхностями, а именно соединений с натягом. Отмечаются преимущества и недостатки данного вида соединений в сравнении с традиционными, анализируются различные теоретические расчёты РК-профильных соединений и обосновывается задача дальнейшего исследования.

Огромный вклад в разработку технологического обеспечения изготовления профильных соединений с равноосным контуром и средств контроля внесли отечественные учёные: Карелин Н. М., Борович Л. С., Тимченко А. И., Индаков Н.

С., Зенин Н. В., а также зарубежные учёные: Р. Мюзиль (R. Musyl), Ф. Данцер (F.

Danzer) и другие.

В настоящее время научно обоснован новый технологический метод, а именно: торцевое высокоскоростное фрезерование пальцевой фрезой на станках с ЧПУ и оценка точности профильных поверхностей с применением координатноизмерительных машин.

Вместе с этим существуют ограничения в применении профильных соединений взамен цилиндрических соединений с гарантированным натягом.

Использование РК-профильных соединений, выполненных по посадке с зазором возможно, но при существенных ограничениях функционального использования. Во-первых, это связано со значительными распорными усилиями, которые вызывают собственную деформацию втулки в силу малых площадей контакта и, как следствие, радиальное биение. Во-вторых, как показано в работах Индакова Н.С., в процессе эксплуатации РК-профильного соединения, выполненного по посадке с зазором, возникает фреттинг-износ. Это приводит к образованию лунок на контактируемых поверхностях, потере точности соединения и его несущей способности. В-третьих, передача знакопеременной нагрузки также приводит к возникновению ударов, связанных с выбором окружного зазора, пластическим деформациям формы отверстия в ступице, выполненной способом протягивания и как следствие потере точности соединения, так и в целом кинематической точности цепи. В тоже время существует реальная возможность применения РКпрофильных соединений, выполненных по посадке с натягом взамен цилиндрических с целью повышения эксплуатационной надёжности неподвижных соединений.

Вторая глава посвящается теоретическому исследованию напряжённодеформированного состояния профильных соединений с равноосным контуром с натягом. Приводится анализ работ, посвящённых решению подобных задач теории упругости. Суть данной работы состоит в решении следующей задачи, а именно определение законов распределения геометрических натягов, а также определение закона изменения погонной нагрузки действующей по контуру профильной кривой, в случае, когда ступица насаживается с натягом на вал. Для решения данной задачи была разработана математическая модель, основанная на базе MathCAD. Алгоритм программы состоит из следующих процедур действий. На основе диссертационных исследований доцента Ильиных В.А.была получена зависимость угла упругого внедрения от крутящего момента М кр при расчёте РК–профильного соединения с минимальным зазором. Для аналитического отображения производилась «оцифровка» данной графической зависимости. Был получен массив данных. Затем производилась аппроксимация графиков по методу наименьших квадратов (МНК) при помощи подобранных математических функций. Далее по основным параметрам равноосного контура (расчётный диаметр, равный 50 мм, эксцентриситет, равный 1,8 мм, количество граней (кратность), равное трём и угловой параметр профиля 0,001..2( рад.) ) выводились уравнения РК–3 профильной кривой в параметрическом виде в координатах XY, а затем в полярных координатах (). После расчета РК–3 профильной кривой проверялось построение контура РК–профиля. Задавались параметрические матрицы предпочтительных посадок с натягом РК–профильного соединения диаметром 50 мм и определялись радиальный и нормальный натяги (мкм) в соединении при нагрузке.

Была получена зависимость нормального натяга в соединении от крутящего момента, прикладываемого к РК–3 профильному соединению. Аппроксимировался график натяга по методу наименьших квадратов для интервала значений крутящего момента: 5 Н·м, 40 Н·м, 80 Н·м, 120 Н·м, 160 Н·м, 200 Н·м. Как показал анализ результатов, геометрический нормальный натяг после приложения нагрузки, изменяется по гармоническому закону вида:

где Ani – амплитуда аппроксимации натяга в мкм;

N r - геометрический нормальный натяг в соединении, до приложения нагрузки, мкм;

i – фаза аппроксимации натяга в рад, 0,001..2 ( рад.) – угловой параметр профиля.

С целью определения работоспособности РК-3 профильного соединения с натягом по критерию прочности необходимо определить напряжения и деформации, возникающие во втулке (ступице) с РК-3 профильным отверстием от действия РК-3 профильного вала установленного с натягом.

Расчетная схема РК-3 профильного соединения от действия крутящего момента представлена на рисунке 1.

Рисунок 1 - Расчетная схема РК-3 профильного соединения от действия крутящего момента В данной расчетной схеме показаны координатная система отверстия (Хотв;

Yотв) - неподвижная и система вала(Xвала; Yвала) - подвижная. Координатная система вала от действия крутящего момента Мкр повернута на угол геометрического упругого внедрения вала в отверстии втулки ( ). Центр тяжести зоны эпюры натягов определяется радиус-вектором контурной кривой в рассматриваемой точке ( ).

Зная закон распределения геометрического нормального натяга, можно определить точку приложения равнодействующей нормальной силы. Задача сводится к определению координат центра тяжести зоны эпюры натягов через определение координат центра тяжести криволинейной трапеции. Для этого необходимо определить границы и площадь эпюры натягов в РК-3 профильном соединении, а также зависимость распределенной нагрузки по контуру РК-3 профильной ступицы при действии крутящего момента. Для решения данной задачи была разработана математическая модель, основанная на базе MathCAD. Равнодействующая нормальная сила, определяется по формуле:

где k 0.00168 мкм/МПа – коэффициент контактной податливости;

mn – угол минимального натяга, град;

l () – длина элемента кривой РК-профиля;

b – длина посадочной контактной поверхности.

Опираясь на работы Боровича Л.С., Индакова Н.С., принимаем при составлении расчетной схемы ряд допущений, а именно: по наружной цилиндрической поверхности втулки действует крутящий момент, по поверхности отверстия действует неравномерно распределенная нагрузка по установленному закону (1).

Приведенная расчетная схема является приближенной, т. к. данная задача решается в плоской постановке и в общем случае нагружения кроме крутящего момента на ступицу действует также радиальная и осевая сила. Кроме этого приближенно определяем закон изменения погонной нагрузки. Интенсивность погонной нагрузки принята через коэффициент контактной податливости согласно работ Д.Н. Решетова и З.Н. Левиной. При этом принято допущение, что деформация в зоне натяга лежит в пределах пропорциональности.

Вполне очевидно, что решение задачи по определению напряжений от действия погонной нагрузки может быть сведено к задаче по определению напряжений во втулке от действия трех симметрично расположенных сосредоточенных сил Fr направленных вдоль радиус-вектора n и трех окружных сосредоточенных сил Ft направленных перпендикулярно к нему. Как принято в работе Л.С. Боровича, при расчете втулки на изгиб можно пренебречь силами Ft в силу того, что момент, который они создают, полностью уравновешивается крутящим моментом M k, передаваемым соединением.

Для решения данной задачи, прежде всего, необходимо определить величины распорных равнодействующих сил Fr, действующих по трем граням РКпрофильной втулки. Используя формулу для определения интенсивности распределения нагрузки по граням соединения через коэффициент контактной податливости, можно рассчитать величину Fr как интегральную сумму удельных давлений q r ( ) действующих на удельных площадках контакта dA по всей поверхности контакта. Зная, что dA ( )d и изменяется от mn до mn для одной зоны контакта величина распорной равнодействующей силы определяется по формуле вида:

где () - радиус кривизны контурной кривой в рассматриваемой точке.

Поскольку задача решается в плоской постановке принято, что длина посадочной контактной поверхности равна b 1.

Используя известные формулы в работах Боровича Л.С.определим qr () через интенсивности нагрузки по площадкам контакта в нормальном направлении qn (). Используя формулы для определения распорной равнодействующей силы Fr из формулы вида:

где Fn - нормальная сила;

Ft - тангенциальная сила;

min - минимальное значение угла, образованного между касательной к контурной кривой поперечного сечения вала и радиус вектором этой кривой в рассматриваемой точке контакта.

Поскольку Ft f Fn, то формула (4) будет иметь следующий вид:

Следует отметить, что в решении задачи по определению напряжений и деформаций втулка с РК – профильным отверстием устанавливалась на РК – профильный вал с зазором, поэтому в качестве коэффициента f принимался коэффициент трения скольжения. При решении задачи с натягом корректнее использовать формулу, для определения связи между тангенциальными и нормальными силами через коэффициент пропорциональности f пр.

Используя данные формулы можно записать приближенную зависимость для определения интенсивности нагрузки в радиальном направлении вида:

Учитывая ранее полученную зависимость для определения qn через величины нормальных натягов, получили следующее выражение:

Подставив выражение (7) в выражение (3) получим формулу для определения распорной равнодействующей силы вида:

По результатам расчетов получены числовые значения координат точки приложения равнодействующей нормальной силы в РК-3 профильном соединении для различных посадок с натягом в зависимости от внешней нагрузки, а также графические зависимости равнодействующей нормальной силы в РК-3 профильном соединении для различных посадок с натягом от внешней нагрузки. Была получена формула и числовые результаты величины распорной равнодействующей силы в РК-3 профильном соединении для различных посадок с натягом от внешней нагрузки.

Далее, используя формулу Боровича Л.С., был рассчитан максимальный изгибающий момент в сечении втулки, а также наибольшие нормальные напряжения 1 и 2. В верхних волокнах втулки будет иметь место наибольшие растягивающие напряжения 1, а в нижних волокнах наибольшие сжимающие напряжения 2.

В результате расчетов были получены следующие зависимости (рисунок 2,3).

2,МПа Рисунок 3- Сжимающие напряжения, посадка H7/r В результате исследования определены наибольшие растягивающие и сжимающие нормальные напряжения для различных соотношений n D / Dm (где D – наружный диаметр втулки (ступицы); Dm –диаметр отверстия втулки (ступицы)).

Получены графические зависимости растягивающих и сжимающих напряжений в зависимости от Мкр. Сравнив расчетные значения напряжений с допускаемыми напряжениями растяжения и сжатия, установлено, что прочность РК-3 профильных соединений будет обеспеченна при n=1.4;1.5;1.6;1.8.

Одним из показателей точности цилиндрических зубчатых колес по нормам кинематической точности является радиальное биение зубчатого венца. В результате расчетов были получены значения радиальных перемещений для различных посадок с натягом и различных нагрузок. Сравнив расчетные значения радиальных перемещений ступицы РК-3 профильного соединения с допускаемыми значениями радиального биения зубчатого венца цилиндрических зубчатых колес, установлено, что возможно использовать РК-3 профильное соединение для зубчатых передач при n=1.4;1.5;1.6;1.8 с 6, 7, 8, 9 степенями точности.

Для сопоставления результатов аналитического расчета был проведен анализ напряженно-деформированного состояния взаимодействия деталей РК-3 профильного соединения с натягом нагруженного крутящим моментом методом конечных элементов (МКЭ) в среде FEMAP 11.1 with NX NASTRAN.

Третья глава диссертации посвящена исследованию технологии изготовления деталей соединения, а также процесса сопряжения деталей РК-3 профильного соединения. В лаборатории Мосстанкина (МГТУ) «Технология машиностроения»

с помощью способа разработанного профессором, д.т.н Тимченко А.И. были изготовлены образцы РК-3 профильных валов. Изготовление профильных валов осуществлялось в два этапа: сначала из круглой заготовки при черновом точении с использованием стандартного резца получается так называемый синусоидальный контур, не обладающий свойством равноосности; а затем при чистовом точении синусоидального контура безвершинным косоугольным (бреющим) резцом формируется РК (равноосный контур) профиль. Валы изготавливались из стали 40Х с последующей термообработкой ТВЧ, твердость поверхности вала составляет HRC 45…50 (HB 420…500).

Одной из основных задач работы является определение посадки с натягом в профильных соединениях типа РК. С этой целью в лаборатории «Метрология»

ЧитГУ были проведены измерения партии ранее изготовленных образцов РК – профильных валов. Для выполнения измерений вал закреплялся в центрах оптической делительной головки модели ОДГ – 10, которая позволяет отсчитывать угловые величины поворота вала. Измерения выполнялись микрометром рычажным МР-50 с точностью 2мкм. В результате измерений номинальный средний диаметр РК профильного вала составил 32.86 мм.

В результате проведения отбора предельные отклонения для первой группы валов составили 32.860..058 мм, что соответствует квалитету s6 и t6. Для второй группы валов – 32.86 0.036 мм, что соответствует квалитету r6, а также для третьей группы валов – 32.860..046 мм, что соответствует квалитету r6. Таким образом, отклонения для РК-3 профильного отверстия должны составить 32,8600,025 мм в системе отверстия.

Данные размеры соответствуют следующим посадкам с натягом,, в системе отверстия. В условиях Мосстанкина были изготовлены образцы ступиц с РК-3 профильным отверстием методом протягивания с номинальным размером отверстия 32,86 0,025 и наружным диаметром 130, 100, 70 мм. В качестве материала ступицы была выбрана Сталь 45, твердость сердцевины HB 235…262.

Измерение отверстий образцов, с целью обеспечения требуемых размеров, проводилось с использованием проходных и не проходных калибров.

Для создания посадки с натягом применялась сборка, а именно механическая запрессовка, выполняемая на прессе модели П-6324-РЭ. В результате были собраH7 H7 H ны соединения со следующим посадкам с натягом,, (рисунок 4).

Рисунок 4 - Образцы РК-3 профильного вала и РК-3 профильного соединения С целью определения условий взаимного осевого смещения деталей РК- профильного соединения при эксплуатации, были выполнены расчеты и проведены экспериментальные исследования по определению усилий запрессовки и выпрессовки деталей соединения в лаборатории «Детали машин» ЗабИЖТ на установке для испытаний на растяжение и сжатие «ДМ 30М».

При исследовании процесса сборки РК-3 соединения с натягом, соответствуH ющей посадке построены графики усилия запрессовки и выпрессовки (рисуr нок 5-6).

Для валов предельные отклонения составили – 32.86 0..050 мм, что соответствует квалитету r6. Отклонения для РК - профильного отверстия в ступице составили 32,860 0,025 мм в системе отверстия. Внешний диаметр для ступиц составил 50 мм и 60 мм соответственно. Посадочная длина составила 18 мм. Величины предельных натягов составили Nrmin =4,5 мкм и Nrmax=25 мкм соответственно.

Fзап,кгс Рисунок 5 – Усилие запрессовки (прямой ход) для n=1. Fвып,кгс Рисунок 6 – Усилие выпрессовки (обратный ход) для n=1. Экспериментальные исследования процессов запрессовки и выпрессовки РКпрофильного вала при образовании соединений с натягом и анализ теоретических расчетов позволил определить осевые силы, при которых будет обеспеченна неподвижность деталей РК-3 профильного соединения в осевом направлении.

Четвёртая глава посвящена экспериментальному исследованию напряженно-деформированного состояния втулки (ступицы) с РК-профильным отверстием.

В ней предложена методика и статистический анализ результатов эксперимента выполненных методом тензометрии.

Для реализации схемы нагружения крутящим моментом было разработано и изготовлено в ДКТБ Забайкальской железной дороги нагрузочное устройство для испытания РК-3 профильного соединения. Данное устройство предназначено для реализации различных схем нагружения при различных сочетаниях n D / Dm.

Используя нагрузочное устройство и цифровой измеритель деформации ИДТЦ - 01 с помощью способа тензометрии были проведены экспериментальные исследования образцов РК-3 профильных соединений в статике.

Для исследования напряженного состояния РК-профильного соединения вала и ступицы с числом граней равным трем, собранного по посадкам с натягом использовались тензодатчики фирмы HBM тип 1-LY11-6/350.

Прежде чем приступить к измерениям тех или иных параметров непосредственно в деталях, необходимо произвести тарировку датчиков с целью определения надежности показаний, а также для определения текущего масштаба, зависящего от настройки усилительной аппаратуры. Тарировка датчиков производилась на балке равного сопротивлению изгибу в лаборатории «Сопротивления материалов» ЗабИЖТ.

Производилась механическая тщательная подготовка и очистка рабочей поверхности для тензодатчика, причем подготавливаемая площадь в 1,5-2 раза превышает площадь занимаемую датчиком, далее производилась разметка рабочей поверхности для правильной ориентации тензодатчика, обезжиривание рабочейповерхности, и аппликация тензодатчиков с использованием цианакрилатного клея Z70 холодного отвердевания.

Аппликация тензодатчиков производилась по трем площадям контакта в местах, где действует наибольшая распорная сила - в форме прямоугольной розетки и в направлении наименьшей толщины ступицы.

Эксперимент проводился для соединения, выполненного по посадке с натягом H7/r6 для различных диаметров ступиц 130, 100 и 70 мм, т.е. для различных соотношений n (рисунок 7).

Рисунок 7 - Нагрузочное устройство для испытания РК-3 профильного В результате были определены деформации в радиальном направлении по наименьшей толщине ступицы, а также максимальные и минимальные нормальные деформации, где действует наибольшая распорная равнодействующая сила от действия крутящего момента для соединения, выполненного по посадке с натягом H7/r6 для n=4, n=3, n=2.

Пересчет измеренных деформаций в эквивалентные значения механических напряжений производится на основании известных соотношений:

где E 2 105 - модуль упругости, МПа;

0.24...0.28 - коэффициент Пуассона;

В результате расчетов были получены графики зависимости от Мкр для n=4, n=3, n=2 для трех зон контакта.

По результатам экспериментальных исследований были получены выборки 30 значений исследуемой величины для каждого n. Затем определенны средние значения максимальных и минимальных напряжений и построены графики (рисунок 8).

Рисунок 8 – Средние значения максимальных и минимальных напряжений В результате были определены максимальные и минимальные напряжения для трех зон контакта для соединения, выполненного по посадке с натягом H7/r для n=4, n=3, n=2.

Статистическая обработка результатов экспериментов заключалась в определении однородности дисперсий и адекватности результатов расчета. В результате проверки по критерию Фишера, установлено, что результаты расчетов адекватны при 5%-ном уровне значимости, описываемому процессу контактного взаимодействия РК-профильных деталей.

По результатам расчетов были составлены таблицы сравнительных характеристик рекомендуемых типов посадок с натягом для РК-3 профильных соединений, а также рекомендуемых посадок с натягом при соответствующих значениях n РК-3 профильных соединений вал-ступица применительно к зубчатым передачам.

Заключение содержит общую характеристику диссертационной работы и основные выводы по результатам.

По результатам исследований можно сделать ряд основных выводов:

1. Выполненные исследования позволили уточнить существующие методики расчета неподвижных неразборных профильных соединений с равноосным контуром и определить пути обеспечения требуемых показателей прочности и жесткости.

2. В ходе исследований процесса изменения геометрического нормального натяга в РК-3 профильном соединении, определены аналитический вид и характер его изменения.

3. Получена зависимость для расчета равнодействующих распорных сил в РК-профильном соединении с натягом.

4. Установлены зависимости величин растягивающих и сжимающих напряжений и перемещений от нагрузки для различных посадок с натягом и различных соотношений n, установлено, что прочность и жесткость РК-3 профильных соединений будет обеспечена при n=1.4;1.5;1.6;1.8 соответственно.

5. Разработанная методика оценки влияния конструктивных параметров и условий эксплуатации на напряженно-деформированное состояние ступицы с РКпрофильным отверстием в РК-3 профильном соединении позволяет на этапе проектирования обеспечить показатели качества РК-3 профильных соединений.

6. Анализ результатов экспериментального исследования процессов запрессовки и выпрессовки деталей РК-3 профильного соединения, а также теоретические расчеты, позволили определить осевые силы, при которых не произойдет осевого смещения деталей относительно друг друга.

7. Анализ результатов экспериментальных исследований, выполненных методом тензометрии, позволил установить зависимости максимальных и минимальных напряжений для трех зон контакта для соединения, выполненного по посадке с натягом H7/r6 для n=4, n=3, n=2 от нагрузки. Проведенная проверка по критерию Фишера, установила, что результаты аналитических расчетов адекватны при 5%-ном уровне значимости, описываемому процессу контактного взаимодействия деталей РК-3 профильного соединения с натягом.

8. Проведенные испытания и результаты расчетов РК-3 профильных соединений, показали, что соединения, изготовленные с натягом по стандартным посадкам типа H7/r6, H7/s6, H7/p6 и H7/t6 могут быть использованы в неподвижных, неразборных РК - 3 профильных соединениях с натягом для зубчатых передач при n=1.4 с 7,8,9 степенями точности и при n=1.5;1.6;1.8 с 6,7,8,9 степенями точности.

9. По результатам исследования разработаны таблицы сравнительных характеристик для выбора конструктивных параметров и внешних нагрузок РК-3 профильного соединения с натягом для зубчатых передач.

Предложенные в диссертационной работе РК-3 профильные соединения с натягом приняты к внедрению взамен традиционных моментопередающих соединений с натягом на ООО «Ремонтно-механический завод» г. Краснокаменск и на ОАО «РЖД» Дирекция по ремонту тягового подвижного состава, г.Чита, что подтверждается соответствующими актами.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих - в изданиях перечня ВАК:

1. Рожкова Е.А. Расчет напряженно-деформированного состояния ступицы с РК - профильным отверстием / В.А. Ильиных, В.Ю. Линейцев, Е.А. Рожкова // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. - Иркутск: ИрГУПС.С.69-73.

2. Рожкова Е.А. Изготовление образцов и разработка экспериментального стенда для испытания РК-3 профильного соединения на прочность / Е.А. Рожкова, В.А. Ильиных // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. Иркутск: ИрГУПС.- №3(31).- 2011.- С.84-87.

3. Рожкова Е.А. Расчет на прочность РК-3 профильных соединений с натягом / Е.А. Рожкова, В.А. Ильиных, В.Ю. Линейцев // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. - Иркутск: ИрГУПС.- №2(34).- 2012.- С.17-20.

4. Рожкова Е.А. Выбор конструктивных параметров РК-3 профильных соединений для различных условий эксплуатации // Системы. Методы. Технологии. – Братск: БрГУ.- № 1(21). – 2014.-С.40-45.

5. Рожкова Е.А., Ильиных В.А., Линейцев В.Ю. Профильное соединение валступица с равноосным контуром с натягом. Положительное решение на полезную модель №2013149425 от 06.11.2013.

- в других изданиях:

6. Рожкова Е.А. Состояние вопроса расчета и конструирования профильных соединений с натягом / Е.А. Рожкова, В.А. Ильиных // Ресурсосберегающие технологии на транспорте и в промышленности: сборник научных трудов/ под ред.

Д.В. Железнова; сост. С.А. Филлипов. –Чита: ЗабИЖТ. - 2007.- С.100-101.

7. Рожкова Е.А. Перспективы внедрения РК профильных соединений с натягом // Молодежь Забайкалья: перспектива развития края: материалы 12 международной молодежной научно-практической конференции, г.Чита, 10-11 апреля 2008г.-Ч.2.-Тез.докл.-Чита:ЗабИЖТ. - 2008.- С. 132-135.

8. Рожкова Е.А. Технологические аспекты изготовления профильных соединений с натягом на базе соединений с равноосным контуром / Е.А. Рожкова, В.А.

Ильиных // Развитие транспортной инфраструктуры – основа роста экономики Забайкальского края. Материалы международной научно-практической конференции, г.Чита, 1-4 октября 2008 г. – Т.1.-Чита: ЗабИЖТ. - 2008. – С. 195-198.

9. Рожкова Е.А. Способы создания и методы повышения прочности профильных соединений с натягом/ Е.А. Рожкова, В.А. Ильиных // Проблемы трансферта современных технологий в экономику Забайкалья и железнодорожный транспорт.

Международная научно-практическая конференция посвященная 55-летию ЗабИЖТ, г.Чита, 13-14 октября 2011. – С. 17-25.

10. Рожкова Е.А. Анализ конструктивных разновидностей профильных соединений // Молодежь и наука: новые взгляды и решения: Сборник научных статей по итогам международной научно-практической конференции, г. Волгоград, 28-29 октября 2011 г./ Под ред. д.э.н. проф. И.Е. Бельских. - Волгоград: Волгоградское научное издательство, 2011. – С. 137-141.

11. Рожкова Е.А. Расчет и конструирование моментопередающих профильных соединений с равноосным контуром с натягом /Е.А. Рожкова, В.А. Ильиных // Транспортная инфраструктура Сибирского региона: Материалы третьей всероссийской научно-практической конференции с международным участием, 15- мая 2012 г. Иркутск: В 2 т.- Иркутск: Изд-во ИрГУПС, 2012.- 64 с.

12. Рожкова Е.А. Обзор существующих методов исследования напряжений и деформаций РК-3 профильных соединений /Е.А. Рожкова, В.А. Ильиных //Проблемы и перспективы развития железнодорожного транспорта России: Труды Всероссийской шестнадцатой научно-практической конференции, посвященной 175-летию российских дорог: В 2 т. Т. 1/Под ред. А.И.Орленко; КрИЖТ ИрГУПС.Красноярск: КрИДТ ИрГУПС, 2012.- 169 с.:ил 13. Рожкова Е.А. Экспериментальные исследования РК-3 профильных соединений с натягом /Е.А. Рожкова, В.А. Ильиных // Транспортная инфраструктура Сибирского региона: Материалы четвертой всероссийской научно-практической конференции с международным участием, 13-17 мая 2013 г. Иркутск: В 2 т.- Иркутск: Изд-во ИрГУПС, 2013.

Подписано в печать «_»_2014. Формат 60х84/16.

Бумага офсетная. Печать трафаретная. Усл. п. л. 1.25.

Забайкальский институт железнодорожного транспорта