Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Прикладные теории удара. Удар в пружинных механизмах
.pdf
4.3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ НАПРЯЖЕНИЙ В ПРУЖИНАХ 101
Таблица 4.8. Сравнение аналитических и экспериментальных результатов при i =5;
0
α =6
; m = −0,5; μ =0, 3 -[4];μ =0, 29 — [66]
Расчет [4],
w
1
Гц
Расчет [66],
Гц
w
2
Эксперимент,
w Гц
3σ w1− w w2− w Примечание
45,5 45,6 45,7 0,13 -0,2 -0,1 основная прод.
53,3 52,6 51,5 0,15 1,8 0,9 основная крут.
62,3 62,9 0,6 осн. попер.
симметр.
64,2 64,9 62,3 0,1 1,9 осн. попер.
антисимметр.
65,26 w22
85,0 83,4 84,1 0,1 0,9 − 0,7
83,6
85,4 88,2 88,0 0,13 − 2,6 0,2
87,8 89,2 0,25 − 1,4
103,4 102,0 98,9 0,15 4,4 2,1
121,8 122 122,9 0,15 − 1,1 − 0,9
127,0 127,2 126,9 0,15 0,1 0,3
129 128
134,5 132,8 134,5 0,15 0 − 1,8
139,2 137,3 135,7 0,15 3,5 1,6
145,3 146,1 147,8 0,5 − 2,5 − 1,7
149,2
151,0 151,8 152,4 0,1 − 1,4 − 0,6
152,0 154,7 154,4 0,1 − 1,6 0,3 w11
167,1 164,6 164,2 0,24 2,9 0,2
182,2 179,5 181,5 0,7 − 2 осн. поперная
симметр.
около w21
182,7 179,9 184,2 0,24 − 1,5 осн. поперная
антисимметр.
около w21
187,1 w21
102 ГЛАВА 4
Таблица 4.9. Сравнение аналитических и экспериментальных значений собственных
частот при i =4, 8; α =6
= 78400 МПа.
Эксперимент Расчет [6] ω − ω
ω
,Гц 3σ ω/p0ω,Гц
экс
0
; m =0; μ =0, 29; d =6мм; Dср=95мм; G =
,Гц Примечания
экс
— — 0,01 0,6 — нуль-частота
47,8 0,17 0,97 47,6 −0,2 осн. продольн.
53,6 0,10 1,10 53,9 0,3 осн. крутильн.
62,4 0,17 1,24 60,6 −1,8 осн. поперечн.
— — 1,31 64,0 — осн. поперечн.
91,6 0,13 1,87 91,3 −0,3
99,4 0,15 2,02 99,0 −0,4
— — 2,05 100,1 —
— — 2,22 108,5 — W22
108,4 0,10 2,28 111,6 3,2
126,8 0,21 2,54 124,4 2,4
135,6 0,33 2,80 136,9 1,3
138,4 0,15 2,80 137,3 −1,1
142,5 0,25 2,92 143,0 0,5
147,2 0,15 3,00 146,7 −0,5
149,6 0,15 3,05 149,5 −0,1
153,4 0,10 3,14 153,9 0,5
156,1 0,10 3,15 154,2 1,9
168,7 0,15 3,46 169,5 1,8
173,1 0,15 3,64 178,2 5,1
— — 3,72 182,3 —
184,7 0,15 3,73 182,5 −2,2
— — 3,85 188,6 — W21
4.3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ НАПРЯЖЕНИЙ В ПРУЖИНАХ 103
где F =5, 12 ·10
−12
сек2/cм2,Vc[cm/c],n=1, 08 для стали. Если принять
n ≈ 1, то для конкретной пружины
T
≈ 3d(F )
c
0,5
≈ const.
Следовательно, по контактной теории время контакта должно оставать-
ся неизменным в процессе нагружения.
Отмеченные три основных экспериментальных эффекта по контактной
теории специально не фиксировались.
Специальный динамический стенд применялся для анализа динамики самого изделия, поэтому объем экспериментальных исследований непосредственно для динамики пружин незначительный. Очень большое число
тензодатчиков было нарушено при оценке скоростей, ускорений различных
узлов изделия. Тем не менее, удалось получить важную информацию на
двух пружинах, на которых исследовалась неравномерность напряженного
состояния при статическом нагружении [4].
Приведём экспериментальные данные исследования нелинейной статики для двух опытных пружин, на которых будем демонстрировать эффекты
при ударном нагружении.
Выводы с тензодатчиков большой буферной пружины припаивались
к специальной распределительной коробке, а для малой буферной пружины изготовлялась специальная труба, через которую выводились провода
тензодатчиков. Запись динамических напряжений в витках пружины производилась обычной измерительной аппаратурой: тензостанция УТС-12-35,
тарировочное устройство Т-12, шлейфовый осциллограф МПО-2 с гальванометрами МОВ2-ПН 135-3. Тарировка производилась до и после ударного
нагружения.
На рис. 4.1–4.2 приведены типичные осциллограммы для нагружения
без соударения витков (рис. 4.1) и с соударением витков (рис. 4.2). На этих
же осциллограммах записано перемещение груза (запись реохордным датчиком).
5
4
1
2
3
Рис. 4.1. Осциллограммы буферной пружины №2: 1 — перемещение; 2...5 —деформации в разных точках пружины. Соударение отсутствует
104 ГЛАВА 4
1
5
2
4
Рис. 4.2. Осциллограммы буферной пружины №2: 1 — перемещение; 2...5 —деформации в разных точках пружины. Соударение витков
3
Размыв фронта волны деформации хорошо просматривается во всех
экспериментальных точках пружины и не является столь крутым, как это
следует с позиции эквивалентного груза. Для рассматриваемой длинной
пружины фазовая скорость распространения волны деформации весьма низка, так что второй максимум касательного напряжения приходится на максимальное статическое сжатие.
Выбор экспериментальных пружин не является случайным, так как
Карпунину В. А. — автору контактной теории для пружин [4], при исследовании на этой пружине удалось обнаружить неравномерность деформации
(были наклеены два тензодатчика), но этот эффект был отнесен за счёт погрешности наклейки тензодатчиков. Сама контактная теория пружин Карпуниным В. А. создавалась для выяснения непонятных явлений, которые
происходили в пружинном механизме изделия, которое было использовано
в динамическом стенде.
В отличие от работ Карпунина В. А. [4,30], Коновалова А. А. [27] нас
интересует одновременная запись касательных напряжений сразу в нескольких близлежащих точках на пружине, что позволяет оценить неравномерность напряженного состояния по τ (табл. 4.10), доходящую до 26% впределах 1/8 витка. Влияние статической статического искажения напряженного состояния на данной длине витка незначительное. Из рассмотрения
осциллограмм видно, что для всех четырех датчиков процессы по времени подобны, можно предполагать динамическое искажение винтовой линии
пружины.
Динамические напряжения в первом рабочем витке пружины (отсчет от
неподвижного конца) начинается при максимальной скорости перемещения
груза. После возвращения груза в исходное положение касательные напряжения в пружине остаются значительными. В таблице 4.11 анализируются
вибрационные касательные напряжения (напряжения, которые остаются после удара) в процентах от τ
. К четвертому пику, к моменту по времени,
max
когда волна деформации прошла восемь раз по винтовой линии пружины,
4.3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ НАПРЯЖЕНИЙ В ПРУЖИНАХ 105
Таблица 4.10. Распределение τ по длине буферной пружины №2, МПа
№опыта Перем. груза,м датчик 13 14 15 16
τ
max
τ
− τ
min
min
%
2 0,255 247 258 288 221 30
4 0,260 349 350 377 326 15
3 0,300 479 405 529 494 31
5 0,280 501 432 550 601 30
1 0,285 - 588 466 - 26
касательные напряжения снижаются в среднем в два раза, но остаются на
уровне 20% τ
. Особый случай при соударении витков (опыт 5, рис. 4.2),
max
где напряжения при втором пике для всех трех датчиков оказались значительно выше, чем при первом пике. Это замечено и на 13 и 14 датчиках при
втором эксперименте. Объяснить этот эффект можно неплотным контактом
витков на соседних участках витка и его влиянием на экспериментально
анализируемое напряжение в точке витка. Статические максимальные касательные напряжения на анализируемой части рабочего витка соизмеримы с
динамическими. По четырем датчикам статические напряжения при поджатии 0, 300 м(табл.4.4)изменяютсяот441 до 480 МПа, а в динамике от 405
до 529 МПа (табл. 4.10). В пределах немногим более одного витка (датчики
наклеены через 45
0
) динамические касательные напряжения как увеличивают суммарные касательные напряжения, так и уменьшают. Когда контактные напряжения отсутствуют (опыты № 2, 4), то вибрационные касательные
напряжения после первого пика значительны (от 40 до 50%). Для замера
по датчику № 14 и при наличии соударения (опыт №3) вибрационные касательные напряжения достигают 50% τ
напряжения равны 405 МПа и меньше значений τ
, а максимальные касательные
max
в двух соседних точках
max
(480 МПа — датчик 13 и 529 МПа — датчик 15), что подтверждает эффект
искажения винтовой линии пружины и при наличии соударения витков.
Наибольшие вибрационные касательные напряжения имеют место в точках
пружины, где наименьшие касательные напряжения — это просматривается
и во всех других экспериментах (табл. 4.11, 4.12).
Отношение времени перемещения груза (T ) к времени пробега волны
деформации по удвоенной длине пружины (2θ) играет определенную роль
при анализе вибрационных касательных напряжений в буферной пружине
№ 2 (табл. 4.11). При величине T · (2θ)
вибрационных касательных напряжений по сравнению с T · (2θ)
−1
=4, 0 наблюдается увеличение
−1
=3, 9.
Экспериментально 2θ =(0, 0056 ...0, 06) с. Датчик находился в переход-
ной зоне от опорного витка к рабочему. Экспериментально найденные величины вибрационных максимальных касательных напряжений значительны,
106 ГЛАВА 4
Таблица 4.11. Вибрационные касательные напряжения в %τ
жине №2
№пика №опыта №опыта №опыта №опыта
2 2 2 3 3 3 4 4 4 5 5 5
13 14 15 13 14 15 13 14 15 13 14 15
1 46 38 40 37 50 35 50 47 48 29 31 22
2 46 28 37 29 37 24 44 41 40 36 41 32
3 56 32 31 21 28 18 33 33 29 22 24 21
4 26 14 23 18 23 15 25 25 22 20 20 18
5 - - - 18 - 13 23 22 22 17 14 12
6 - - - 11 - 14 10 16 19 14 14 10
7 - - - - - - - - - 12 10 7
8 - - - - - - - - - 7 9 7
соуд. - - - + + + - - - + + +
Таблица 4.12. Вибрационные касательные напряжения в %τ
жине №2, датчик №9
Вибрационные
№опытаПерем. груза, м
касательные
напряжения %τ
max
τ
max
- - пик 1 2 3 4 5 6 - - -
24 0,230 14 15 12 12 8 4 478 4,4 25 0,235 34 26 24 19 16 - 585 4,0 +
26 0,317 30 21 18 15 12 10 539 3,9 +
вбуфернойпру-
max
вбуфернойпру-
max
T
,МПа
2θ
Соуд.
поэтому при нагружении серией импульсов максимальные касательные напряжения могут возрастать.
В таблице 4.13 даны экспериментальные результаты записи максимальных касательных напряжений по винтовой линии пружины, которая
привлекала внимание В. А. Карпунина и послужила причиной создания им
контактной теории пружин (первая буферная пружина). Качественная картина аналогична предыдущей: неравномерность τ
существенно увели-
max
чивается по винтовой линии пружины, но суммарная величина статических
и динамических касательных напряжений не намного превосходит чисто
статические напряжения (табл. 4.5).
Максимумы динамических напряжений по τ
в зависимости от раз-
max
4.3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ НАПРЯЖЕНИЙ В ПРУЖИНАХ 107
Таблица 4.13. Распределение τ по длине буферной пружины №1, МПа
№опыта Перем. груза,м датчик 1 2 3 5
1 <0,280 396 265 276 312
2 0,310 449 300 374 465
3 0,310 449 300 374 449
личных условий нагружения смещаются (табл. 4.12, 4.13), так как пружины
имеют направляющие.
Экспериментальное искажение винтовой линии при динамическом нагружении не является неожиданным эффектом. Существование неравномерности касательных напряжений по винтовой линии пружины приводит
к неравномерности контактных деформаций по длине витка. Основное положение контактной теории Карпунина В. А. [20] о равномерном плотном
контакте при соударении витков оказывается нестрогим.
Экспериментальная проверка применимости контактной теории по
условиям T :2θ>1 и T
=const, к сожалению, в работах [20,27] да-
c
же не проводилась.
В таблицах 4.14, 4.15 приведен небольшой экспериментальный результат автора при многократном ударе. Интерес представляет результат уменьшения времени контакта с увеличением числа ударов. Максимальные касательные напряжения сопоставляются со статическим расчетом.
Экспериментальные результаты подтвердили аналитическую гипотезу, что до наступления плотного контакта витков существует межвитковое
давление, где основной причиной является увеличение касательных напряжений за счёт искажения винтовой линии при статическом и динамическом
сжатии пружины.
Таблица 4.14. Два последовательных цикла на динамическом стенде, буферная пружина №2, опыт №8
№датчик τ
max
,МПа
Перем.
гру-
τst,МПа τ
max
−1
· τ
2θ[c] Tk[c] Tk· 2θ
st
−1
за,м
14 490 0,34 451 1,08 0,064 0,040 0,62
15 519 0,34 451 1,15 0,064 0,036 0,56
16 549 0,34 451 1,21 0,064 0,036 0,56
14 568 0,35 470 1,21 0,064 0,036 0,56
15 549 0,35 470 1,17 0,064 0,036 0,56
16 539 0,35 470 1,15 0,064 0,032 0,50
108 ГЛАВА 4
Таблица 4.15. Три последовательных цикла на динамическом стенде, буферная пружина №2,опыт №9
№датчик τ
max
,МПа
Перем.
груза, м
τst,МПа τ
max
−1
· τ
2θ[c] Tk[c] Tk· 2θ
st
−1
14 529 0,34 451 1,17 0,064 0,032 0,50
15 490 0,34 451 1,08 0,064 0,028 0,44
14 510 0,34 451 1,13 0,064 0,028 0,44
15 549 0,34 451 1,22 0,064 0,028 0,44
14 510 0,34 451 1,13 0,064 0,024 0,38
15 549 0,34 451 1,22 0,064 0,024 0,38
4.4. Стабилизация параметров пружин за счет
оптимизации процесса кинематического
заневоливания
Статическое заневоливание, широко распространенное в настоящее
время, применяется в целях повышения несущей способности пружин в
пределах упругости. Оно заключается в статическом сжатии пружины до
соприкосновения витков и выдержке в таком положении в течение 12 . . . 36
часов [34]. Это позволяет получить в поперечных сечениях витков поле остаточных напряжений, снижающих рабочие напряжения и выравнивающих распределение напряжений в поперечных сечениях витков [71].
Описанный процесс весьма длителен и трудоемок. Кроме того, возникающий эффект «синусоидального» заневоливания, при котором часть пружины оказывается перезаневоленной, а часть — недозаневоленной, приводит
к нестабильности основных параметров пружин. Особенно это характерно
для длинных, неустойчивых пружин.
Избежать этих недостатков или свести их влияние к минимуму позволяет контактное и кинематическое заневоливание. Использование ударного
заневоливания было затруднено отсутствием методов определения максимальной критической скорости удара и критических усилий сжатия, которые были только сравнительно недавно представлены в работах [71, 72] с
позиций обобщенной теории винтовых цилиндрических пружин.
На базе положений этой теории были проведены исследования возможности применения кинематического заневоливания и его режимов для
пружин, работающих на оправках (длинные пружины, чаще всего выполняют роль приведения груза в исходное положение). На каждом этапе исследования кроме опытной партии, подвергаемой кинематическому заневоливанию, существовала контрольная партия статически заневоленных пру-
4.4. СТАБИЛИЗАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ ПРУЖИН 109
жин (заводская технология). Испытания проводились в цехе 112 «Ижмаша»
(г. Ижевск). Все пружины навивались из одного бунта проволоки. Заневоливание проводилось на штатном гоночном стенде, применяемом для выборочного контроля пружин. Он представляет собой обычный кривошипно–
ползунный механизм, ход ползуна которого определяется размерами пружины H
партии продолжалось до тех пор, пока размер пружины H
и H2, с частотой нагружения 8 . . . 10 Гц. Заневоливание опытной
1
не становился
0
равным высоте ненагруженной пружины после статического заневоливания.
Величина сжатия регулировалась с помощью вкладных втулок. При неизменной величине хода ползуна изменялись в сторону уменьшения значения
H
и H2при заневоливании, причем H2приближалась к высоте пружины,
1
сжатой до соприкосновения витков.
Основные чертежные параметры исследуемой пружины:
H
= 425 мм; H1= 292мм; H2= 156мм; H3= 118 мм;
0
P
=25...35 H; P2=59...67 H; P3=76H;
1
d =1, 2 мм; c =8, 7; i
= 90; i =92± 1; t
p
=24час.
зан.
Проведено кинематическое заневоливание четырех опытных партий пружин. Гарантированный суммарный межвитковый зазор δ
для первой пар-
Σ
тии равен 38 мм; для второй — 21 мм; для третьей — 7 мм; для четвертой —
2 мм.
В ходе эксперимента выявлено:
• конкретной величине гарантированного межвиткового зазора соответствует определенное время процесса кинематического заневоливания.
Дальнейшее увеличение времени заневоливания не приводит к заметной дополнительной осадке пружин;
• уменьшение величины гарантированного суммарного межвиткового зазора приводит к уменьшению времени процесса кинематического заневоливания, так для первой опытной партии t =60мин., а для чет-
вертой — 10 мин.;
• разброс силовых параметров пружины P
и P2меньше, чем при ста-
1
тическом заневоливании (рис. 4.3); происходит стабилизация силовых
параметров пружины, что должно положительно сказываться на функционировании изделия в целом ( для четвертой опытной партии среднее
квадратическое отклонение уменьшилось на 33 % для P
P
по сравнению с контрольной партией.
2
ина38% для
1
110 ГЛАВА 4
ç ç
,
1
3
2
1
0
t
ìèí
2
,
60
56
1
48
40
32
3
2
24
16
8
0
-
,
10
15
5
0
20 25 30
Ç
ìì
Ç
3
2
Рис. 4.3. Стабилизация силовых параметров пружин и уменьшение времени процесса при использовании кинематического заневоливания: 1 — время заневоливания;
2 — отношение средего квадратического отклонения усилия P
пружин по сравнению с контрольной партией пружин (η
P
—(η2)
2
в опытной партии
1
); 3 — тоже для усилия
1
Анализ полученных результатов позволяет сделать вывод о возмож-
ности замены статического заневоливания для данной пружины кинематическим с режимами, определенными для четвертой опытной партии. Это
позволит сократить время технологической операции и повысить стабильность силовых параметров пружины. Кинематическое заневоливание легко
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]