Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние теории и технологии соединений с натягом, собираемых термическим методом
1 Анализ современных методов сборки соединений с натягом 0
2 Состояние теории расчета соединений, собираемых термическим методом
1.2.1 Расчет натяга и величины монтажного зазора при сборке термическим методом
1.2.2 Расчет нагрузочной способности и напряженно-деформированного состояния соединения, собранного термическим методом 2
1.2.3 Точность термической сборки соединений с натягом
Способы управления напряженно-деформированным состоянием и обеспечения точности взаимного положения составных частей термического соединения
Выводы и постановка задач исследования
Глава 2. Развитие метода расчета соединений с натягом, собираемых термическим методом и анализ процессов при его формировании
Конечноэлементный подход к решению нестационарных тем пературных осесимметричных задач
2.1.1 Особенность решения нестационарной термической задачи в соединении . 1
2.1.2 Зависимость коэффициента температурного расширения и других физико-механических свойств материала соединения от температуры в деталях
Условия контактного взаимодействия
2.2.1 Термоконтактное взаимодействие
2.2.2 Термопрочностный расчет при контактном взаимодействии
Анализ факторов, влияющих на точность базирования и условия контактного взаимодействия Выводы
Глава 3. Экспериментальное исследование термического соединения
Экспериментальное исследование температурных полей и деформаций в термическом соединении
Экспериментальное исследование погрешности базирования в термическом соединении
3.2.1 Методика экспериментального исследования погрешности базирования в термическом соединении
3.2.2 Подготовка и выполнение натурного эксперимента .
3.2.3 Обработка результатов эксперимента Оценка влияния конструктивной особенности на точность ба зирования и нагрузочную способность Практические рекомендации по выбору конструктивной особенности Выводы
Глава 4. Практическая апробация результатов работы
Инженерный расчет работоспособности соединения составной нефтяной задвижки
Выводы
Заключение
Список литературы
- Состояние теории расчета соединений, собираемых термическим методом
- Способы управления напряженно-деформированным состоянием и обеспечения точности
- Зависимость коэффициента температурного расширения и других физико-механических свойств материала соединения от температуры в деталях
- Экспериментальное исследование погрешности базирования в термическом соединении
Введение к работе
Соединения с натягом, собираемые термическим методом, получили широкое промышленное применение в машиностроении благодаря существенным преимуществам, а именно: возможности автоматизации сборки при индуктивном нагреве, отсутствию повреждений сопрягаемых поверхностей при формировании, высокой нагрузочной способности, а также возможности демонтажа соединений, если одна из деталей приспособлена для гидропрессового метода разборки.
Формирование соединения с натягом, собираемого термическим методом (далее — термических соединений (ТС)), осуществляется при незначительных силах запрессовки вследствие наличия монтажного зазора между деталями, обусловленного разницей их температур. Физическая сущность метода состоит в том, что при нагреве охватывающей или охлаждении охватываемой детали возникает монтажный зазор, который обеспечивает сборку деталей соединения с минимальными осевыми силами.
Проблемы технологии сборки соединения отражены в работах отечественных авторов Г. Я. Андреева, Г. А. Бобровникова, Е. С. Гречищева, Б. Ф. Федорова и зарубежных ученых А. С. Зенкина, И. С. Гречищева, А. А. Ильяшенко, Л. Т. Балацкого, Караса Д., Рота Г. и др.
Анализ технологии формирования термических соединений показал, что существуют различные способы подготовки деталей соединения для сборки, а именно: охлаждение одной или нагрев другой. Геометрия, напряженно-деформированное состояние (НДС) и переменная жесткость деталей по длине соединения влияют на нагрузочную способность и точность сборки деталей в частности на точность базирования торцов охватывающей и охватываемой детали или торцов охватывающих деталей при последовательной сборке на одном валу . Расчет нагрузочной способности, точности базирования и монтажного зазора, обеспечивающего гарантированную сборку соеди 5 нения, без учета распределения температурных полей и деформаций деталей соединения с течением времени будет не точным.
Применение моделирования в других областях науки и техники свидетельствует, что новые средства и методы их использования обладают широкой универсальностью и большими потенциальными возможностями.
Математическая модель термической сборки, основанная на современных положениях механики твердого тела и теории тепломассопередачи, позволит значительно расширить представления о взаимодействии контактирующих поверхностей, взаимном влиянии формы и размеров деталей и контактирующих поверхностей на точность базирования, НДС, нагрузочную способность (НС) и величину технологических параметров.
Разработка инженерных методик с соответствующим математическим аппаратом и программным обеспечением и их реализация позволят существенно сократить трудоемкость и время разработки конструкторско-технологической документации, уменьшить количество опытных образцов в проектно-испытательных работах при внедрении новых изделий в производство.
Целью диссертационной работы является повышение нагрузочной способности и точности базирования соединений с натягом, собираемых термическим методом, на основе математического моделирования соединения с натягом, собираемого термическим методом.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
• на основе проведенного анализа разработать пути повышения точности базирования и нагрузочной способности соединений, собираемых термическим методом;
• разработать математическую модель процесса формирования соединения, учитывающую сложную геометрию и условия термоконтактного взаимодействия сопрягаемых деталей; • разработать методику расчета НС и ТБ на основе метода конечных элементов (МКЭ) с уникальной системой граничных условий;
• установить зависимость ТБ от конструктивных особенностей, технологических приемов, условий контактного взаимодействия;
• провести экспериментальную проверку адекватности разработанной математической модели (ММ) с использованием созданной на ее основе программы путем исследования процессов нагрева (охлаждения) деталей, формирования соединения и сопоставлением расчетных данных с данными натурных экспериментов.
На защиту вынесены следующие результаты исследования:
1. Математическая модель процесса формирования термических соединений.
2. Закономерности влияния конструктивной особенности (КО) на ТБ, НДС и нагрузочную способность соединения.
3. Влияние технологических приемов на точность базирования.
4. Результаты экспериментальной проверки, подтверждающие адекватность математической модели.
5. Практические рекомендации по назначению КО деталей соединения.
В первой главе «Состояние теории расчета соединений с натягом, собираемых термическим методом» выявлены особенности объекта моделирования, анализ которого позволяет предположить взаимное влияние геометрии сопрягаемых деталей, физико-механических свойств материалов, их НДС и величин технологических параметров на точность базирования и нагрузочную способность соединения. Неравномерность температурных полей и деформаций в деталях соединения из-за контактного взаимодействия с внешней средой не позволяют достичь требуемой точности расчетов НДС, точности базирования классическими методами. Современные методы математического моделирования обеспечивают возможность рассмотрения технологических процессов контактных задач с переменными граничными условиями (по геометрическим и физическим признакам). Во второй главе «Развитие метода расчета соединения с натягом, собираемого термическим методом, и анализ процессов при его формировании» разработана математическая модель соединения с натягом, собираемого термическим методом. Проведен вычислительный эксперимент, установивший механизм изменения точности базирования и нагрузочной способности соединения для различных конструкционных и технологических способов ее управления.
В третьей главе диссертации «Экспериментальная проверка адекватности разработанных моделей» двумя сериями эксперимента осуществлена проверка положений, выдвинутых в ходе теоретического исследования технологических процессов сборки ТС, и разработанной обобщенной математической модели различных схем формирования соединения.
В четвертой главе «Практическая реализация результатов исследования» показана возможность применения результатов теоретического и экспериментального исследования в процессах сборки и эксплуатационном обслуживании узлов машин в промышленных условиях. Объектом внедрения был выбран составной полукорпус нефтяной задвижки, собираемый термическим методом.
Теоретические и экспериментальные исследования представляемой диссертационной работы выполнены на кафедре «Мехатронные системы» Ижевского государственного технического университета.
Состояние теории расчета соединений, собираемых термическим методом
Впервые теоретические исследования соединений с натягом при упругих деформациях были проведены Ляме в середине девятнадцатого века. В этой же области имеются и более поздние работы академика А. В. Гадолина [6, 9, 22]. Расчетные формулы, основанные на этих исследованиях, рекомендуются специализированными пособиями [5, 39]. Значительный вклад в развитие теории и технологии термической сборки соединений с натягом внесли научные школы Киевского технологического университета под руководством проф. А. С. Зенкина, Харьковского университета под руководством проф. Г. Я. Андреева, Ижевского государственного технического университета под руководством проф. И. В. Абрамова. Анализ последних работ в области расчетов термических соединений - А. С. Зенкина в Киевском техническом университете, М. К. Кварцова и А. И. Кварцова в Харьковском инженерно-педагогическом институте — показали, что особое внимание уделялось повышению нагрузочной способности, обоснованию выбора натягов, режимов нагрева или охлаждения [7]. Из условия отсутствия пластических деформаций определяется наибольший расчетный натяг в термической посадке.
Делаем вывод, что основными параметрами, влияющими на нагрузочную способность термических соединений, являются: контактное давление, коэффициент трения и эффективная площадь сопряжения, определяемая геометрическими размерами соединения (диаметр и длина посадки).
Соединение с натягом подвергается сложному нагружению и испытывает сложные деформации, которые представим в формулировке решения задачи Лямэ - Гадолина. Удельное давление на поверхности контакта посадки определяется из (1.2). Напряжения в термических соединениях определяются по наибольшему натягу. Запишем зависимости для описания напряженного состояния в охватываемой детали термического соединения.
В соответствии с [22] при прочих равных условиях коэффициент трения в тепловых посадках с сопрягаемыми стальными парами выше, чем в прессовых в 1,95-2,3 раза. В свою очередь, прочность посадок, формируемых с применением холода, в среднем на 10-15 % выше тепловых при прочих равных условиях. При термических способах сборки прочность соединений на круговой сдвиг также возрастает. При тепловой сборке по отношению к механической коэффициенты трения при круговом сдвиге в среднем возрастают в 1,7 раза [6], в посадках с охлаждением - в 2 раза [17].
Причины отмеченной разницы в коэффициентах трения соединений, формируемых под прессом и термическими способами, выявлены в процессе металлографических исследований зон контакта сопрягаемых поверхностей [6, 17]. При сборке под прессом происходит срез микронеровностей сопрягаемых поверхностей и взаимное внедрение более крупных неровностей, что приводит к неравномерному прилеганию поверхностей с наличием участков с зазорами и повышенной пластической деформации поверхностных слоев металла. При тепловой сборке соединений характерно плотное и равномерное прилегание сопрягаемых поверхностей с отсутствием задиров и пластических деформаций в зонах контакта, что в сравнении с прессовыми соединениями существенно повышает фактическую площадь контакта. Для сборки с охлаждением характерны процессы, обусловленные временным повышени 27 ем механических свойств стали при низких температурах. В момент сборки микронеровности вала, обладая большой твердостью, внедряются во втулку, вызывая переформирование микропрофиля и увеличение площади контакта. Соответственно, разрушение такого соединения, в отличие от собранного тепловым способом, требует дополнительных усилий для одновременного среза микронеровностей вала.
Исследования, проведенные различными авторами [30, 33, 34], показали, что при термическом методе сборки в соединении происходит сложный процесс, связанный с возникновением различных напряжений, вызванных формированием натяга и температурными деформациями. Для определения величины торцевого зазора на одном валу формировались два соединения путем нагрева охватывающих деталей (рис. 1.8, б). В процессе сборки сопрягаемых деталей обе втулки остывают, их размеры уменьшаются, а посадочные поверхности втулок скользят по посадочной поверхности вала. При этом на втулку одновременно действуют радиальная сила и сила сжатия, обусловленные, соответственно, внутренним контактным давлением р в результате натяга N и температурными деформациями, что приводит к изменению ее размеров.
Способы управления напряженно-деформированным состоянием и обеспечения точности
Анализ существующих методов расчета показал, что аналитическое решение [6, 9, 33] позволяет определить требуемый монтажный зазор, необходимую разницу температур, осевое и радиальное перемещение для деталей простой формы. Реальные соединения с конструктивными особенностями, различной геометрией посадочной поверхности требуют применения численных методов [19,29, 54, 62].
В известных работах [26, 28, 34] внимание уделено расчету напряженно-деформированного состояния (НДС) термических соединений и сделано предположение о возможности управления процессом формирования сборок с помощью внешней среды.
В работах [30, 31, 33] проведены аналитические исследования, выявлена возможность управления погрешностью позиционирования охватываемой детали относительно охватывающей с помощью фрикционной и теплоизолирующей смазки [33]. Для того чтобы избежать возникновения зазора Y со
стороны не контактирующих друг с другом (наружных) торцов втулок 2 и 3 (рис. 1.8) по периметру их посадочных поверхностей предлагается наносить покрытие 4, имеющее малую теплопроводность и низкий коэффициент трения. Затем втулки нагревают (или охлаждают вал 1), осуществляя соединение деталей с временно образованным за счет термовоздействия зазором, и выдерживают соединения до окончания скрепления. Ширина покрытия составляет 15-20 % от длинны втулок. В процессе скрепления вала 1 с каждой из втулок 2 и 3 наиболее интенсивный теплообмен будет происходить на участке без покрытия, поэтому начальный и более прочный контакт деталей соединения произойдет по металлу со стороны контактирующих торцов втулок 2иЗ. Дальнейшее изменение размеров каждой из втулок по ширине вследствие изменения температуры происходит относительно уже закрепленного торца. Недостатком предложенного метода, на наш взгляд, является то, что влияние свойств, длины и высоты смазочного слоя, других способов повышения ТБ, таких как конструктивная особенность, ее комбинация с антифрикционными материалам и другими технологическими приемами на точность и НДС деталей не устанавливались. Исследования [34] с помощью аналитического и численного методов были выполнены для деталей простой цилиндрической формы с гладкой посадочной поверхностью.
Проведенный анализ последних исследований показал, что единого подхода, учитывающего конструкторский и технологический методы управления НДС и относительным положением деталей термических соединений, не существует. Недостатками рассмотренных методов управления точностью базирования, на наш взгляд, являются: невозможность учета различных конструктивных особенностей охватывающих деталей; все расчеты проводились без учета начального зазора с допущением, что контакт изначально считался замкнутым; исследования, проведенные с помощью аналитического и численного методов, были выполнены для деталей простой цилиндрической формы с гладкой посадочной поверхностью.
Существующая теория термических соединений с натягом не учитывает условия деформирования во время технологических процессов подготовки, сборки и формирования соединений. Отсутствие научно обоснованного управляемого воздействия внешней среды на процессы, протекающие в зоне контакта приводит к образованию зазора Y , снижению нагрузочной способности и перераспределению НДС.
Изменяющиеся условия контактного взаимодействия, неравномерное распределение температуры в деталях соединений, их сложные и многообразные формы требуют применения вариационных методов расчета [4, 5, 6].
Для повышения прочности, нагрузочной способности, точности базирования термических соединений необходимо дальнейшее развитие подходов к расчету на основе современных представлений механики деформированного твердого тела, теплопроводности, теплообмена, численных методов, контактного взаимодействия с учетом управляющего воздействия внешней среды на этапах подготовки сборки и формирования соединения.
Следовательно, основные положения к расчету ТС и соответствующая им математическая модель должна учитывать: конструктивные особенности охватывающей и охватываемой деталей; неравномерный натяг и геометрию поверхностей деталей; распределение температурных полей в деталях; тепломассопередачу между деталями и окружающей средой; коэффициент трения в сопряжении. Цель работы состоит в повышении нагрузочной способности и точности базирования соединений с натягом, собираемых термическим методом на основе математического моделирования термоконтактного взаимодействия. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи: на основе проведенного анализа разработать пути повышения точности базирования и нагрузочной способности соединений, собираемых термическим методом; разработать математическую модель процесса формирования соединения, учитывающую сложную геометрию и условия термоконтактного взаимодействия сопрягаемых деталей; разработать методику расчета нагрузочной способности и точности базирования на основе метода конечных элементов с уникальной системой граничных условий; установить зависимость точности базирования от конструктивных особенностей, технологических способов, условий контактного взаимодействия; провести экспериментальную проверку адекватности разработанной математической модели с использованием созданной на ее основе программы путем исследования процессов нагрева (охлаждения) деталей, формирования соединения и сопоставлением расчетных данных с данными натурных экспериментов.
Зависимость коэффициента температурного расширения и других физико-механических свойств материала соединения от температуры в деталях
Для решения нелинейной системы на каждом шаге по времени организуется итерационный процесс. На каждой итерации методом Гаусса решается система линейных уравнений.
Особенность заключается в том, что необходимо получить общее решение двух систем дифференциальных уравнений типа (2.21), составленных для двух сопрягаемых "деталей. Число уравнений соответствует числу деталей соединения. Кроме того необходимо учесть общее изменение в течении времени, условия контактного взаимодействия.
Анализ формирования термических соединений с натягом показал, что его можно разбить на несколько этапов.
Первый этап - изменение температуры одной из сопрягаемых деталей и создание монтажного зазора (рис. 2.3). Используя теорию теплообмена, определяется время нагрева, НДС и соответствующие изменения геометрических размеров, в том числе и монтажный зазор.
Четвертый этап — при выравнивании температур в деталях в контакте происходит смещение деталей относительно друг друга. Оно может быть как неуправляемым (рис 2.6, а), так и управляемым под воздействием конструкционных и технологических факторов (рис. 2.7, б). По окончании формирования соединения между торцам поверхностей и вала возникает зазор Г, отрицательно влияющий на точность базирования.
Контактная задача ТС обусловливает учет взаимного влияния контактных поверхностей деталей и конвективного теплообмена. Учет контактных взаимодействий приводит к физически нелинейным соотношениям. Нелинейное поведение ТС является результатом множества причин, которые могут быть сведены к перечисленным ниже основным категориям: изменение температуры, геометрические нелинейности, нелинейное поведение материала (уп-ругопластическое деформирование), а также время.
Для обеспечения максимальной точности рассчитываемых параметров напряженно-деформированного состояния в структуре ТС осуществляется минимизация потенциальной энергии деформированного тела. Аппроксимирующей функцией чаще всего является линейный, квадратичный или кубический полином. Такой полином, связанный с соответствующим элементом, называется функцией элемента.
Коэффициент трения является функцией нескольких переменных контактного давления Р и шероховатости Rz \f =/(P,Rz) для сухого трения и вязкости 9 для жидкостного/ = f(Pk,Rz,,9). Причем Ye% или 7s", неравны Yepe и Yse соответственно.
Согласно этим же исследованиям было установлено, что напряженно-деформированным состоянием (рис. 2.8) и относительным положением составных частей соединения можно управлять конструкторским и технологическим способами.
Для конечноэлементного расчета ТС принята осесиметричная модель с трехузловыми элементами. Геометрические модели позволяют имитировать фаски деталей и центрирующие отверстия вала, соответствующие образцам, принятым в натурном эксперименте.
Введение конструктивной особенности оказало существенное влияние на нагрузочную способность и условия контактного взаимодействия. Если между телами существует третье тело в виде вязкой или твердой смазки, то решение в численном виде получить не представляется возможным из-за макрогеомтерии и прослойки между деталями на участке D (рис. 2.11). Согласно исследованиям, проведенным в ИжГТУ на кафедре «МС» [66, 75, 51], время существования прослойки между деталями незначительно, но может оказывать влияние на процесс формирования соединения, однако эта проблема требует дополнительных исследований. Поэтому при исследовании влияния антифрикционного тела не учитывалось время существования его в зоне контакта. Исходя из этого условия для двух контактирующих тел будут различными в зависимости от зоны контакта соединения (рис. 2.11). Зону контакта двух или более сопрягаемых тел предложено разделить на участки А, В, С, D (рис. 2.11), изменяющиеся в процессе формирования соединения.
Экспериментальное исследование погрешности базирования в термическом соединении
Для обеспечения точности позиционирования и ликвидации зазоров, возникающих в процессе формирования термических соединений (рис. 3.2), обусловленных неравномерным охлаждением и величиной натяга в термическом соединении, предлагается применение конструктивных особенностей в виде уступа на охватывающей детали соединения и канавок на охватываемой (рис. 3.2, узел а).
Основной задачей серии численного эксперимента является получение уравнения регрессии и зависимостей влияния конструктивных факторов на точность базирования в термическом соединении с конструктивной особенностью. Выполнено сравнение результатов, полученных из разработанной математической модели и данных натурных испытаний в трех точках плана. Соединение с конструктивной особенностью (рис. 3.6), собираемое термическим методом по цилиндрической посадке, состоит из охватываемой (вал с канавкой) и охватывающей (втулка с уступом) деталей. В соответствии с ГОСТ 3328-95 детали выполнены с требуемой твердостью, шероховатостью и точностью. Определение твердости образцов выполнено на измерителе по шкале НВ. Измеренные значения всех готовых образцов деталей удовлетворяют условию, представленному в табл. 3.2. Выполнено измерение микрогеометрии (шероховатости и профилограммы) деталей. Измерение выполнялось до сборки полисоединений на предмет удовлетворения требованиям эксперимента по шероховатости.
В соответствии с теорией измерений были выполнены обмеры посадочных поверхностей деталей на универсальном инструментальном микроскопе УИМ-21 (рис. 3.9). Экспериментальные исследования проводились в соответствии с уровнями факторов и матрицей планирования, представленными в табл. 3.3, 3.4. Для проведения термической сборки соединений задействуется нагревательная установка (рис. 3.10), а для измерения погрешности базирования - пресс с установленными на деталях оснастки для измерения линейных перемещений (рис. 3.11). Таким образом, представленные образцы, измерительная и испытательная аппаратура позволяют с достаточной точностью провести экспериментальное исследование погрешности базирования в термическом соединении. Натурный эксперимент проводился в следующей последовательности. 1. В нагревательной установке при температуре 300 С в течение 8 мин осуществляется нагрев охватывающей детали. 2. Выполняется установка охватываемой детали в отверстие нагретой охватывающей детали с необходимым базированием. 3. Собранное соединение выдерживаются не менее 120 мин. 4. На испытательном стенде гидростатического давления осуществляется проверка точности базирования деталей термического соединения. Величина погрешности базирования отображается на табло осевых перемещений. 5. Все полученные в ходе эксперимента данные документируются.
Данные вычислительного (на основе разработанной математической модели) и натурного экспериментов по определению погрешности базирования в опытных образцах термических соединений (осевые перемещения канавки охватываемой детали относительно уступа охватывающей детали) представлены в табл. 3.4 (Y{ и Y2 соответственно). Введение конструктивной особенности оказало существенное влияние на нагрузочную способность и условия контактного взаимодействия в термическом соединении. МКЭ позволил получить картинку НДС деталей соединения с КО (рис. 3.15). Анализ процесса формирования соединения показал, что контактное давление и напряжение на внешней и контактной поверхности втулки изменяется во время формирования соединения (рис. 3.16-3.18). Наибольшие градиенты Рк, а наблюдаются с 15-й по 50-ю с (для данного соединения). В дальнейшем эти изменения незначительны, следовательно, 95 % НС достигаются в первую минуту формирования соединения при остывании на воздухе. Жидкая среда может значительно ускорить процесс. Анализ нагрузочной способности, определенный с помощью математической модели и натурных экспериментов, показал, что расхождение составит от 8 до 12 %, что объясняется применением в ММ коэффициента трения и его зависимости от давления из справочной литературы [40, 44].
С увеличением диаметра втулки в 1,5-2 раза величина точности базирования меняется незначительно в пределах 8 %. Для различных форм охватывающей детали, скорости формирования соединения необходимо проводить дополнительные исследования.
