Повышение долговечности рабочих поверхностей деталей машин в соединениях

Как правило, РПДМ современных технических средств изготавливаются из различного вида металлических и неметаллических материалов, поэтому контакт подвижных РПДМ можно оценивать, используя энергетический подход к распространению и передаче энергии между поверхностными слоями контактирующих деталей [70, 74, 94].

Фактическое состояние поверхностного слоя характеризуется различными высотными параметрами шероховатости. Наличие выступов и впадин на РПДМ, контактирующих друг с другом при их относительном смещении, формирует фактическую площадь контакта S, и закладывает условия фрикционной связи между ними. В результате контакта РПДМ происходит передача энергии от одной детали с другой. При нормальном и касательном нагружении контакта подводимая анергия, с учетом преодоления сил адгезионного взаимодействия, составляет:

где «гиг - фактические нормальное и касательное напряжения на контакте, ? и у - относительные сближения и сдвиг при нагружении контактной зоны и нарушении фрикционной связи, Рв - фактический объем контактного взаимодействия, Qa - работа внешних сил по преодолению адгезионного взаимодействия между сопряженными поверхностями.

Объем контактного взаимодействия при нарушении фрикционной связи и подвода энергии к поверхностному слою зависит от фактической площади контакта и определяется зависимостью:

где h - абсолютное сближение поверхностей.

Формирование фрикционной связи сопровождается «ударом» отдельных выступов и мгновенным изменением скорости скольжения на контакте. В результате энергия в контактной зоне подводится с некоторой скоростью vK, соответствующей скорости деформации на контакте, а распространяется энергия в недрах контакта с большой скоростью vB. Различие в скоростях нагружения контакта и распространения напряжения нарушает состояние равновесия контактной зоны [19].

Распространение волны деформации происходит в контактной зоне, насыщенной различными дефектами в строении материалов, и при встрече с ними упорядоченное волновое движение претерпевает изменение, механическая энергия преобразуется в тепловую с последующим ее рассеиванием.

Полагая, что процесс рассеивания энергии происходит в некотором критическом объеме контактной зоны, можно записать:

где hy - глубина тепловой зоны, qB- параметр взаимодействия, зависящий от характера нарушения фрикционной связи.

При упругом нарушении фрикционной связи вся номинальная поверхность касания твердых тел участвует во взаимодействии и qBy = 1.

Абразивное разрушение поверхностей твердых тел происходит по

5

рабочим плоскостям скольжения, в этих условиях qBa = А Рабочая по-

sa

верхность разрушения Sp мало отличается от фактической площади касания поверхностей Sr, через которую происходит нагружение. Таким образом, параметр взаимодействия qB показывает, какую часть от номинальной поверхности составляет та рабочая поверхность, которая непосредственно находится в контакте и через которую осуществляется подвод энергии.

В результате рассеяния энергии при однократном нарушении фрикционной связи в критическом объеме устанавливается энергоплотность :

При последующих нарушениях фрикционной связи энергоплотность контактной зоны накапливается и возрастает до критического значения энергоемкости, соизмеримой с энергией межатомных связей. В результате происходит разрушение поверхностного слоя и отделение частиц материала от основной массы контактной зоны. Зная величину объема (веса) изношенного материала на заданном пути трения L, можно определить коэффициент износа (Kj) РПДМ подвижного сопряжения, по следующей зависимости:

где i - средний линейный износ по глубине поверхностного слоя.

При малом износе поверхностей, который наблюдается при упругом характере нарушения фрикционной связи, значительная часть подводимой к контакту энергии рассеивается. В отличие от этого, при абразивном изнашивании поверхности почти вся подводимая к контакту энергия расходуется на разрушение материала.

Установлено [89], что между коэффициентом износа поверхностей и ее средней относительной деформацией существует прямо пропорциональная зависимость следующего вида:

где W - коэффициент, учитывающий относительную площадь фактического контакта поверхностей и условия взаимодействия на контакте;

V = — - средняя относительная деформация, определяемая отно-

VB

шением скорости подвода энергии к скорости ее распространения в контакте рабочих поверхностей.

Коэффициент, учитывающий относительную площадь фактического контакта поверхностей и условия взаимодействия на контакте, можно определить по следующей зависимости:

где х - показатель, зависящий от условий взаимодействия в контакте.

Если нарушение фрикционной связи произошло при смещении поверхностей на величину 8, тогда сопротивление контакта составит

Сложное напряженное состояние материала за фронтом ударной волны при значительных напряжениях близко к всестороннему сжатию. Это дает возможность представить значение энергоплотности Ер контакта произведением относительной деформации V на некоторую величину приведенного напряжения <тп, тогда

Используя выражения (2.6), (2.10) и (2.11) можно найти коэффициент трения при нарушении фрикционной связи и преобразований контакта:

где р - давление на рабочих поверхностях.

Из зависимостей (2.7) и (2.12) можно установить корреляционную связь между коэффициентами трения и износа поверхностей:

Используя выражения (2.7) и (2.13), а также зная предельно допустимые значения износа РПДМ (inp), или величины предельных зазоров, можно определить критические значение периода эксплуатации сопряжения:

I

Таким образом, зависимость (2.12) дает возможность определить коэффициент трения в сопряжении как основного показателя, определяю-

45

щего энергоэффективность конкретного трибосопряжения, а зависимость (2.14) дополнительно долговечность РПДМ, находящихся в контакте между собой с учетом продолжительности и условий эксплуатации.

Полученные аналитические зависимости в большей степени описывают абразивное изнашивание контактирующих поверхностей без применения смазывающих материалов. Развитие контакта в условиях смазки рабочих поверхностей имеет определенные отличия.

Далее рассмотрим взаимодействие РПДМ, контактирующих между собой и имеющих достаточную степень свободы в относительном перемещении, в условиях смазки. Наибольшее распространение при этом получили методы расчёта, учитывающие характер контактного взаимодействия РПДМ в условиях гидродинамической смазки [43, 44, 146, 173]. Суть такого расчета заключается в обоснованном выборе и назначении посадок для указанных соединений. В состоянии покоя под действием силы тяжести, например, вал находится в нижнем положении, опираясь своей рабочей поверхностью на подшипник (внутреннюю поверхность отверстия). При вращении силы трения увлекает смазку в узкую щель между валом и отверстием. Под действием давления, возникающего в клине, при определенном соотношении размеров соединения, частоте вращения, динамической вязкости смазки и давления в контакте, вал как бы всплывает, опираясь на масляный клин, и несколько смещается в сторону вращения.

Известно, что минимальная величина зазора, обеспечивающая смазку в подвижном соединении и его работоспособное состояние, может быть определена следующим уравнением [ 146]:

где hmin - минимальное значение толщины масляного слоя, м;

d - номинальный диаметр соединения, м; со - угловая скорость вращения вала, рад/с; ц - динамическая вязкость масла при рабочей температуре, Па с ; р - среднее удельное давление в подшипнике, Па;

/ - длина соединения, м;

S- величина зазора в соединении, м.

Опытами установлено, что оптимальное соотношение толщин масляного слоя и зазора в соединении, обеспечивающие минимальный износ и наилучший режим работы, достигается при hMUH = 0,25 S.

Подставляя данное соотношение в уравнение (2.15), получим значение наивыгоднейшего зазора, которое удовлетворяет требованиям по режимам смазки трибосоппяжения:

В дальнейших расчетах ряд исследователей [43, 44, 173] учитывают различные поправки на изменение геометрических параметров контактирующих поверхностей. При этом наибольшее влияние оказывает изменение параметров исходной шероховатости деталей, особенно в начальный период эксплуатации - при приработке. Поэтому профессор И.С. Серый [146] считает, что значение наивыгоднейшего зазора следует скорректировать на величину смятия неровностей, которые за период приработки сглаживается до 70% первоначальной высоты микронеровностей. Учитывая это, расчетный зазор должен быть меньше на эту величину шероховатости вала Rzj и отверстия Rzd'.

Spacn ~ SHaUe ~ 1,4(RzD + Rzd)• (2.17)

Определив величину расчетного зазора, выбирается стандартная посадка [45] так, чтобы было выдержано условие:

3ГОСТ

Среднее значение зазора ср стандратной посадки определяют по формуле

gWCT пГОСТ

где max и min _ соответственно максимальное и минимальное табличные значения зазоров для выбранной посадки, мкм.

Если при расчёте получены жёсткие квалитеты или посадки, не обеспечивающие гидродинамической смазки, допускается изменять значения параметра шероховатости Rz для поверхностей отверстия и вала.

Для нормальной эксплуатации соединения следует определить наименьший слой смазки hmin при максимальном зазоре выбранной посадки

Полученное значение следует сравнить с высотными параметрами на достаточность слоя смазки из соотношения

где К3>2- коэффициент запаса по величине масляного слоя;

47

Д= 2...3 мкм - добавка на неразрывность масляного слоя.

? доп

Предельное значение максимально допустимого зазора 111ах , необходимого для расчета минимального допуска на износ рабочих поверхностей, принятой посадки, определяются по выражению:

где Хтах ~ максимальное значение относительного эксцентриситета, определяемое по справочным таблицам в зависимости от величины hmin [95].

Величина минимального допуска на износ Тизн, с учетом интенсивности изменения этого показателя, косвенно характеризует долговечность соединения, и ее можно определить по следующей зависимости:

Представленная последовательность расчета и выбора посадки с зазором для подвижных соединений, работающих в условиях смазки, может быть дополнена расчетом теплообразования и его отводом в окружающую среду. Такой расчет можно рассматривать как самостоятельную задачу конструирования новых узлов. Подобные расчеты необходимо проводить в обязательном порядке для высоконагруженных и скоростных рабочих поверхностей соединений. Для большинства подвижных соединений агрегатов и узлов с.-х. техники, которые работают в менее жестких условиях представленного расчета вполне достаточно.

Неподвижные соединения или посадки с натягом применяют в неразъемных соединениях, причем относительная неподвижность деталей достигается за счет упругих деформаций возникающих при запрессовке.

Для передачи крутящего момента необходимо добиться такого значения минимального натяга (рис. 2.5), который обеспечит не только неподвижность соединяемых деталей, но и передачу момента. Расчет такого неподвижного соединения проводится на основе теории выбора посадок с натягом [43] по следующей методике.

Схема контакта рабочих поверхностей деталей, соединяемых натягом

Рисунок 2.5 - Схема контакта рабочих поверхностей деталей, соединяемых натягом

Величина наименьшего удельного давления (pmin) на поверхности соединения втулки и вала в общем случае, при передаче крутящего момента кр) и действии силы (Foc) в осевом направлении

где/- коэффициент трения соединяемых деталей.

Остальные обозначения приняты такими же, как в предыдущем разделе.

Величина наименьшего расчетного натяга (Nmin), который необходим для противодействия приложенным нагрузкам, должна быть:

где Ed и Ed - модули упругости материала втулки и вала;

Со и Cd - коэффициенты Лямэ, определяемые по формулам

где d - номинальный диаметр соединения;

dj - внутренний диаметр вала (при сплошном вале di = 0);

d2 - наружный диаметр втулки;

цо и коэффициенты Пуассона для материала втулки.

49

Величина расчётного минимального натяга с учётом смятия гребней микронеровностей в процессе запрессовки или приработки сопряжения (условно можно считать [133], что износ микронеровностей составляет 60% от заданных значений R~n и R-A-

Далее подбирается стандартная посадка по величине минимального

Nr°CT

натяга тш , удовлетворяющая условию

В этом случае, наибольшее удельное давление на соединяемых по-

NcT

верхностях при максимальном натяге 111ах выбранной посадки определяется по уравнению:

В результате использования сплошного вала и запрессовки на него втулки возникает необходимость проверки на прочность соединяемых

|оу | > (7D

деталей в первую очередь втулок, исходя из условия 11 ,

СГГ

где 1 1 - предел текучести материала втулки, МПа.

Наибольшее напряжение во втулке {ао) определяется по уравнению:

Если условия прочности соединяемых деталей выполнятся, то необходимо установить способ сборки данного соединения исходя из имеющихся возможностей ремонтного производства. Для этого определяется максимальное усилие (Fmnp) для запрессовки вала во втулку при максимальном натяге:

где /,’, - коэффициент трения при запрессовке,/, =(1,15 ...1,20) f

Для облегчения сборки соединений с натягом можно применять такие способы термической обработки, как нагрев охватывающей детали или охлаждение охватываемой. В этом случае необходимая температура деталей (tD, tci) определяется по формулам:

где td - температура помещения сборки, иС;

Sc - минимально необходимый зазор при сборке, мкм;

а - коэффициент линейного расширения при нагреве, или сжатия при

охлаждении.

По этой методике определяются оптимальные параметры неподвижных соединений, которые собираются посредством натяга его рабочих поверхностей, и длительность работы из условия нераскрытая стыка, определяющее их долговечность.

Рассмотрим более подробно работу основных РПД существующих неподвижных шпоночных соединений зерноуборочных комбайнов.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >