Введение к работе
Актуальность темы. Механизмы свободного хода (МСХ) широко применяются во многих отраслях современного машиностроения для автоматического соединения и разъединения валов приводов в зависимости от скорости их движения и величины передаваемого момента. Эксплуатационные характеристики МСХ определяют нагрузочную способность и долговечность различных машиностроительных конструкций, технологического оборудования, регулируемых приводов и транспортных средств. Поэтому вопросы, связанные с их расчетом и проектированием относятся к числу наиболее важных. Еще большую значимость они приобретают в связи с разработкой бесступенчатых импульсных передач, где МСХ работают в наиболее тяжелых условиях выпрямителя механических колебаний, подвергаясь воздействию больших динамических нагрузок при высокой частоте включений и выключений. Наибольшие потенциальные возможности для использования в высокоскоростных силовых приводах имеют самотормозящиеся МСХ с низшими кинематическими парами, среди которых большие перспективы по критериям быстродействия, нагрузочной способности и угловой жесткости имеют клиновые МСХ с дополнительной кинематической связью, разработанные А.А. Благонравовым. Их функционирование во многом зависит от работоспособности триботехнической системы, выбор геометрических и упругих элементов параметров которой представляется возможным на основе исследований механики контактного взаимодействия ее элементов. Поэтому выполненная работа, связанная с математическим моделированием наиболее важного эксплуатационного процесса самоторможения клиновых МСХ является актуальной.
Цель работы: усовершенствование методики проектного расчета клиновых МСХ с кинематической связью на основе применения гранично-элементной модели.
Задачи исследования:
-
Разработка неконсервативной статической гранично-элементной модели клиновых МСХ, позволяющей учитывать наличие начального радиального зазора в подшипниковом узле и поджимающего клин устройства.
-
Разработка и реализация итерационных контактных алгоритмов, позволяющих определять кинематическое и напряженно-деформированное состояние МСХ в различных условиях нагружения.
3. Экспериментальные исследования процесса самоторможения
клиновых МСХ для проверки адекватности расчетной модели.
4. Установление на основе вычислительного эксперимента общих
закономерностей распределения сил контактного взаимодействия в
кинематических парах клина с обоймами, приводящих к самоторможению
МСХ.
5. Выбор однозначно определяющего режим самоторможения МСХ
обобщенного критерия, зависящего от величины реализуемого коэффициента
трения и геометрии контактных поверхностей обойм и клина.
6. Разработка рекомендаций по использованию полученных
результатов при усовершенствовании методики проектного расчета клиновых
механизмов.
Объектом исследования являются клиновые механизмы свободного хода с кинематической связью ведущего и ведомого элементов. Предметом исследования являются: самоторможение МСХ, напряженно-деформированное состояние элементов конструкции, нагрузочная способность механизма.
Методика выполнения работы. Теоретические исследования проведены на основе аналитических и численных методов механики деформируемого твердого тела. Для описания контактного взаимодействия элементов клиновых МСХ сформулированы краевые задачи классической теории упругости, численное решение которых осуществлялось методом граничных элементов (МГЭ).
Научная новизна заключается в описании процессов контактного взаимодействия элементов клиновых МСХ в условиях активного нагружения и исследовании влияния конструктивных параметров на самоторможение МСХ и его напряженно-деформированное состояние (НДС). При этом:
-
В гранично-элементной модели, используемой для статического анализа напряженно-деформированного состояния элементов клиновых МСХ, впервые учтено наличие начального радиального зазора в наиболее нагруженной области контакта вала-эксцентрика с радиальным подшипником скольжения, а также присутствие поджимающего клин устройства.
-
На основе универсальных критериев фрикционного контакта тел и предложенной модели сформулированы общие условия потери подвижности кинематических пар механизма, определены закономерности распределений касательных перемещений, нормальных давлений и сил трения, приводящие к вырождению кинематических пар клина с обоймами и самоторможению механизма.
3. Определено влияние линейных и угловых геометрических
параметров обойм и клина на процесс самоторможения МСХ. Впервые
получена зависимость, связывающая минимальное значение коэффициента
трения с максимальным углом заклинивания и определена область
допустимых значений геометрических параметров для обеспечения
самоторможения механизма при заданном значении коэффициента трения.
4. Установлено влияние поджимающего клин устройства на условия
фрикционного сцепления клина с обоймами и получены силовые условия
заклинивания не самотормозящегося механизма с учетом усилия пружины.
Построены зависимости, позволяющие осуществлять выбор геометрических
параметров элементов МСХ при наличии поджимающего клин устройства.
Практическая ценность: усовершенствована методика проектного расчета самотормозящихся клиновых МСХ с дополнительной кинематической связью при заданной величине внешней нагрузки и значении реализуемого коэффициента трения.
Достоверность результатов работы подтверждается корректностью постановки задачи и применяемых численных и экспериментальных методов механики деформируемого твердого тела.
На защиту выносятся:
1) Неконсервативная модель триботехнической системы клиновых МСХ, учитывающая наличие начального радиального зазора в наиболее нагруженной зоне контакта эксцентрика с ведущей обоймой и прижимного устройства.
2) Обобщенный критерий самоторможения МСХ, однозначно
определяющий на основе закономерностей распределения сил контактного
взаимодействия область допустимых значений конструктивных параметров,
обеспечивающих потерю подвижности кинематических пар клина с
обоймами.
-
Результаты исследования влияния усилия прижимного устройства на процесс торможения механизма.
-
Методика определения величины предельной внешней нагрузки из условия контактной прочности МСХ.
-
Методика проектного расчета самотормозящихся клиновых МСХ с дополнительной кинематической связью при заданной величине внешней нагрузки и значении реализуемого коэффициента трения.
Личный вклад соискателя заключается: в разработке и математическом описании схемы кинематического нагружения МСХ с учетом зазоров в зоне контакта вала-эксцентрика с подшипником скольжения; в разработке и реализации контактных алгоритмов и исследовании процесса самоторможения МСХ; исследовании влияния конструктивных параметров на процесс самоторможения МСХ и получении зависимостей, связывающих обобщенный геометрический параметр с реализуемым коэффициентом трения; исследовании влиянии усилия поджимающего устройства на самоторможение механизма; в усовершенствовании методики проектного расчета МСХ.
Апробация работы. Основные научные и практические результаты диссертации докладывались на ежегодных научных конференциях ВолгГТУ (2011-2013 г.), на научно-технической конференции в г. Ижевск в 2013 г. и Международной научно-практической конференции "Прогресс транспортных средств и систем - 2013" в г. Волгограде в 2013 г. Часть работы выполнена в рамках ГОСУДАРСТВЕННОГО КОНТРАКТА № 16.522.11.2005 (2012-2.2-
522-010-002) при создании опытного образца прицепного устройства для механизированной уборки тыквы с сохранением исходных свойств сырья.
Публикация результатов. Основные положения диссертации опубликованы в 8 печатных работах.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов и приложений. Содержит 142 страницы основного машинописного текста, 81 рисунок, 5 таблиц, список использованной литературы из 128 наименований и 3 приложения.
