Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Прикладные теории удара. Удар в пружинных механизмах
.pdf
4.5. УПРАВЛЕНИЕ ЭФФЕКТОМ СОУДАРЕНИЯ ВИТКОВ 111
автоматизируется, что позволяет отказаться от ручного труда при статическом заневоливании.
4.5. Экспериментальные исследования управления
эффектом соударения витков (повышение
долговечности пружин с уменьшением габаритов
пружин)
Синтезированная теория удара (глава 2) предполагает, что при сокращении габаритных размеров пружины по длине, уменьшении шага навивки
её долговечность за счет управления эффектом соударения может увеличиться.
Справедливость этого положения потвердилось при проведении усталостных испытаний пружин, подвергаемых ударному нагружению на стенде ИМИ-1 (конструктор Карпунин В. А.). В отличие от обычно встречающегося возвратно–поступательного механизма нагружения, в этой установке механизм нагружения вращающегося типа. Подобная конструкция
позволяет в диапазоне скоростей (0 . . . 25) м/с получить частоту ударов
(3 . . . 60) Гц. Кроме того, такая схема обеспечивает плавность и равномерность работы машины вследствие хорошей уравновешенности движущихся
масс. Настройка машины на заданный режим производится изменением:
числа оборотов вала с помощью вариатора; числа работы кулачков; радиуса
обметания кулачков; предварительного поджатия испытываемых пружин;
хода подвижного конца пружины.
В ходе испытаний использовалась одна пара кулачков, одновременно исследовалась одна пружина, число оборотов главного вала машины —
200 об/мин (3,3 Гц), скорость нагружения исследуемой пружины — 6,6 м/с,
вес — 4,76 H . Число циклов нагружения до поломки пружины N фиксировалось с помощью электромеханического счетчика импульсов.
Исследованы две партии пружины, которые имеют общие параметры:
c =9; d =2, 5 мм; i
i = 70; P
=42, 2 H; P2=61, 8 H.
1
= 68;
p
Отличающиеся параметры:
первая партия —
H
= 356 мм; H1= 273мм; H2= 223мм; H3= 178 мм;
0
σ
= 1650МПа; σT= 1650 МПа; P3=91, 2 H;
B
112 ГЛАВА 4
втораяпартия—
= 345 мм; H1= 262мм; H2= 212мм; H3= 178 мм;
H
0
= 1590 МПа; σT= 1590 МПа; P3=85, 3 H.
σ
B
Первая партия пружин рассчитана по модернизированной волновой теории удара с плотным контактом витков, вторая — по синтезированной теории удара с соударением витков. Теоретическая зависимость между сокращением габаритов по длине и эквивалентными напряжениями для данного
случая представлена на рис. 4.4. Результаты испытаний сведены в таблицу 4.16, а их статическая обработка, выполненная в соответствии с [68],
дана в таблице 4.17.
hh
,
34
1,2
h
3
1,0
1 партия
0,9
h
0,8
0 5 10 15
4
2 партия
-
H
H
01
H
01
0i
,
%
Рис. 4.4. Теоретическая зависимость между сокращением высоты пружины и эквивалентными напряжениями для пружин, исследуемых на стенде ИМИ-1(конструктор
Карпунин В.А.): η
— отношение эквивалентных напряжений на внутреннем во-
3
локне витка у пружины, рассчитанной без контакта витков, к аналогичным напряжениям у пружины с уменьшенной длиной;η
— отношение эквивалентных напря-
4
жений на внутреннем волокне витка у пружины, рассчитанной без контакта витков,
к эквивалентным напряжениям в точке контакта у пружины с уменьшенной длиной
Принятые обозначения в таблице 4.17:
N — среднее арифметическое значение числа циклов до поломки пружины; S — величина средней квадратической погрешности результата серии
измерений; α — коэффициент надежности; t
(n) — коэффициент Стьюден-
α
4.5. УПРАВЛЕНИЕ ЭФФЕКТОМ СОУДАРЕНИЯ ВИТКОВ 113
Таблица 4.16. Результаты испытаний двух партий пружин на стенде ИМИ-1
НомерH0, ммN , число циклов H0мм, Место поломки пружины
партии до поломки после испытания (со стороны удара)
356 13700 317 11
356 12260 310 7,60,61,67
1 356 12550 308 6
356 12830 320 6
356 13000 306 7
345 19500 300 69
345 19000 295 5
2 345 19500 310 69
345 20050 299 7
345 19100 297 68
Таблица 4.17. Статистическая обработка результатов испытаний на стенде ИМИ-1
Номер
партии
N S α tαN − t
α
(n − 1)
S
0,5
<N<N + t
α
(n − 1)
S
0,5
0,900 2,13 12485 <N<13251
0,950 2,78 12368 <N<13368
1 12868 360 0,980 3,75 12193 <N<13534
0,990 4,60 12040 <N<13696
0,999 8,61 11319 <N<14417
0,900 2,13 18988 <N<19872
0,950 2,78 18853 <N<20006
2 19430 415 0,980 3,75 18652 <N<20208
0,990 4,60 18476 <N<20384
0,999 8,61 17645 <N<21215
та; n — число проведенных замеров;
N − t
α
(n − 1)
S
0,5
<N<N + t
α
(n − 1)
S
−
0,5
доверительный интервал.
Как показали испытания, долговечность пружин может быть значительно повышена при незначительном уменьшении длины и допущении
соударения витков. В данном случае уменьшение высоты пружины на три
процента привело к росту долговечности на 51 %. Соударение витков позволило создать условие равнопрочности по сечению витка, так как эквива-
114 ГЛАВА 4
лентные напряжения в точке контакта и на внутреннем волокне пружины
равны.
Аналогичные результаты были проведены при испытании пружины
одного из изделий завода им. Ленина (г. Пермь) на лабораторном стенде УДС-1, проведенном в ЦИИМ (г. Ленинград) Белогур В. П., Ворошилиным В. В. Нагружение осуществлялось грузом массой 0,283 кг со скоростью
15 м/с. Результаты испытаний приведены в таблице 4.18. Обе пружины работают с соударением витков.
Таблица 4.18. Результаты испытаний на стенде УДС-1
Величина Вариант изготовления
5 7
d, мм 4,0 4,0
DH, мм 25,0 25,0
i
p
8,0 8,0
i 9,0 9,0
H0, мм 77,70 75,65
H0− H3, мм 41,7 39,65
P3, мм 1416 1349
Осадка, % 6,00 3,53
Живучесть,циклы нагр. 8200 11000
Примечание Поломка пружины Поломка ударника
Из таблицы видно, что уменьшение высоты пружины привело не только к увеличению живучести механизма, но и к уменьшению осадки при
эксплуатации, то есть к повышению стабильности ее силовых характеристик. Однако допущение более интенсивного соударения витков привело к
выходу из строя детали, контактирующей с упругим элементом.
Рациональное проектирование пружинных механизмов с управлением
эффектом инерционного соударения витков может существенно увеличить
срок службы пружин.
4.6. Формирование неравномерности шага пружины по её
длине при ударном нагружении
Своеобразный вид потери устойчивости был обнаружен при анализе
шага навивки и мест поломок при ударном нагружении [4].
4.7. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ЭФФЕКТЫ ПРИ ДИНАМИЧЕСКОМ НАГРУЖЕНИИ 115
Анализ проводился на основе измерений пружин первой партии после
испытания на ударном стенде ИМИ-1. Осадка пружин при ударном нагружении происходит неравномерно: имеются две ярко выраженные зоны концентрации витков. Первая расположена в районе 5 . . . 10 витков, вторая —
60 . . . 70 витков, считая со стороны подвижного витка (со стороны удара).
Формирование этих зон происходит не одновременно. Сначала образуется
повышенная концентрация витков у подвижного конца, что соответствует
8000 . . . 10000 циклам нагружения. Затем при 12000 . . . 14000 циклах нагружения у неподвижного конца возникает второй сгусток витков. Вследствие
уменьшения межвиткового зазора в указанных зонах происходит более интенсивное соударение витков, чем в остальных местах пружины, что является причиной выхода из строя пружины. Поломка обычно происходит
в местах повышенной концентрации витков (табл. 4.18), что подтверждает
существование определенных зон поломок пружин при ударном нагружении. Подобные результаты при статическом и динамическом нагружении
для коротких пружин приведены в [4].
Изменение межвиткового зазора по длине пружины после ударного
нагружения представлено на рис. 4.5, где δ
кового зазора между i и j витками. Этот зазор уменьшается с приближением
к обоим концам пружины, минимальная его величина у подвижного конца
пружины. Данный эффект особенно характерен для длинных неустойчивых
пружин с большим числом витков. Чтобы исключить поломки таких пружин
при скоростном ударном нагружении вследствие интенсивного соударения
витков в зонах их концентрации, можно рекомендовать увеличение шага
навивки для нескольких витков с каждого конца пружины.
— средняя величина межвит-
i−j
4.7. Экспериментальные эффекты при динамическом
нагружении цилиндрических пружин в механизмах
Экспериментальные эффекты при динамическом нагружении (без резонансных явлений) цилиндрических пружин при отсутствии инерционного
соударения витков.
• Размыв фронта волны деформации.
• Уменьшение скорости распространения волны деформации с увеличе-
нием времени динамического нагружения пружины.
• Наличие «вибрационных» напряжений, сохраняющих значительную
величину (до 30 . . . 40% максимального касательного напряжения).
116 ГЛАВА 4
,
ä
ìì
2,0
1,5
1,0
40
010
Рис. 4.5. Распределение межвиткового зазора по длине пружины, прошедших испытания при ударном нагружении с инерционным соударением витков
20
30
50 60
номер витка со
стороны удара
• Существование для каждого механизма «оптимальной» скорости распространения волны деформации при многократном ударе, не вызывающей возрастания динамических напряжений при последующем нагружении.
• Неравномерность касательных напряжений по длине пружины.
• Определенные зоны поломок в пружинах при поджатых опорных вит-
ках (первая треть рабочего витка) и неподжатых опорных витках (две
трети рабочего витка).
• Увеличение угла подъёма и уменьшение числа рабочих витков увеличивают размыв фронта волны деформации.
• Возрастание касательных напряжений при динамическом нагружении.
• Повышение долговечности пружин при динамическом нагружении за
счёт специально подобранных непараллельных опорных торцов пружины [69].
Экспериментальные эффекты при ударном нагружении пружинных ме-
ханизмов с инерционным соударением витков.
• Размыв фронта волны деформации.
• Ограничение роста касательных напряжений.
4.7. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ЭФФЕКТЫ ПРИ ДИНАМИЧЕСКОМ НАГРУЖЕНИИ 117
• Отсутствие ударной волны, что подтверждается размывом фронта волны деформации.
• Время соприкосновения витков меньше удвоенного времени пробега
волны деформации (для контактной теории Герца это должно быть
противоположно).
• Время контакта при инерционном соударении витков переменно.
• Неравномерность касательных напряжений по длине пружины.
• Неравномерность контактных деформаций по длине пружины (экспе-
римент Шалина В. Н.).
• Определённые зоны поломок пружин.
• Более сильное «гашение» при инерционном соударении «вибрацион-
ных» напряжений, чем при его отсутствии.
• Осадка пружин при контактных деформациях.
• Увеличение площади контакта за счет изготовления пружин с прямо-
угольным сечением витка (длинная сторона перпендикулярна геометрической оси пружины) способствует увеличению осадки витков.
• Выскальзывание витка при большом индексе пружины.
• Осадка витков при большом индексе пружины.
• Уменьшение осадки при увеличении τ
(максимальные касательные
3
напряжения с соприкосновением витков).
• Уменьшение осадки пружины с уменьшением индекса пружины.
• Рост максимальных касательных напряжений после соприкосновения
витков, возможность дожатия пружины.
• Поломка опорных витков.
• Поломка рабочих витков пружины, примыкающих к опорным, для
неустойчивых пружин, работающих на оправке.
Экспериментальные эффекты при изготовлении пружин и в процессе
эксплуатации пружинных механизмов.
118 ГЛАВА 4
• Заневоленные пружины с прямоугольным сечением витка (длинная сторона, перпендикулярная геометрической оси пружины) имеют сильную
осадку (эксперимент Бидермана В. Л. и Шалина В. Н.).
• Неравномерный шаг пружины после заневоливания.
• Бочкообразность пружины после заневоливания.
• Выскальзывание витков при динамическом заневоливании.
• Стабилизация параметров пружин при заневоливании в жесткой трубе,
препятствующей увеличению диаметра пружины в процессе сжатия.
• Увеличение высоты заневоленной пружины при резком ударе (характерно для длинных пружин).
• Нестабильное заневоливание по длине пружины.
• Формирование определенных зон сближения витков при эксплуатации
с инерционным соударением витков.
4.8. Рекомендации по проектированию и изготовлению
пружин и пружинных механизмов при динамическом
нагружении
При динамическом нагружении рекомендации проектирования пру-
жинных механизмов сводятся к следующему.
• Создание условий равнопрочности по длине пружины, что можно
осуществить изготовлением специальных непараллельных торцов или
оформлением опорных торцов по обычной технологии и существенным уменьшением опорного витка (до 0,5), при этом необходимо проводить усталостные испытания пружин.
• При наличии внешнего изгибающего момента целесообразнее устанавливать пружины так, чтобы в зонах минимальных напряжений увеличивать напряжения, а в максимальных уменьшать.
• Смена концов пружины при разборке изделия — простейший способ
повышения долговечности пружины.
• Проектирование коротких пружин при условии одинаковой продольной
и поперечной жесткости, что уменьшает влияние внешнего изгибающего момента на продольную жесткость пружины, а это в свою очередь
повышает долговечность пружины.
4.8. РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ПРОЕКТИРОВАНИЮ И ИЗГОТОВЛЕНИЮ 119
• Проектирование устойчивых пружин всегда предпочтительнее, чем использование длинных пружин, работающих на оправках.
• Увеличение угла подъема более 10
◦
не целесообразно, так как сильно
возрастает неравномерность напряженного состояния по длине пружины.
Осадка пружин связана не только с предельной деформацией самой
пружины, но и с конструкцией пружинного механизма. Конструкция пружинного механизма различная, поэтому критические скорости пружинного
механизма определяются особенностями предварительного поджатия, установки ограничителя движения груза. Определение критических скоростей
нагружения пружинных механизмов можно осуществлять как по модернизированной волновой теории удара, так и по синтезированной теории удара
(с учётом наличия и контактных деформаций). Общая рекомендация в этом
случае — уменьшение индекса пружины.
За счёт управления эффектом инерционного соударения можно сокра-
щать габариты и повышать долговечность пружины. В этом случае, как и с
критическими скоростями пружинных механизмов, обязательно необходимы расчеты.
При многократном ударе соударение витков является необходимым,
так как это единственный способ реального решения гашения «вибрационных» напряжений. Очень важно при проектировании пружинного механизма применять комбинацию пружин из цилиндрических одножильных и
многожильных, так как в последних удается хорошо демпфировать динамические напряжения.
Повышению стабилизации пружин способствует кинематическое зане-
воливание в диапазоне от P
до P3, но без допуска соударения витков.
2
Буферные пружины в ударных механизмах работают без предваритель-
ного поджатия, т. е. заведомо при наименее выгодном коэффициенте асимметрии цикла нагружения. Все рекомендации по повышению долговечности пружины за счёт создания условий равнопрочности по длине пружины
остаются в силе. Но главной рекомендацией является проектирование не отдельной пружины, а всего пружинного механизма. Это позволяет правильно
выбрать установку ограничителя движения груза.
Интересную идею реализовал инженер П.А. Сенюткин (научно-техни-
ческий семинар 1984 г. г. Ижевск) — изготовление пружины на нецилиндрической оправке таким образом, чтобы после заневоливания пружина
приобретала цилиндрическую форму.
Если пружина имеет большую длину, то нет необходимости специально
изготовлять параллельные торцы, тем более, что такие пружины используются при наличии цилиндрических оправок.
Литература
[1] Полищук Д. Ф. Техническое творчество в механике. Системно-операторная ме-
ханика. — Ижевск: Изд-во Удм. ун-та, 1993. — 230 с.
[2] Нагаев Р.Ф. Механические процессы с повторными затухающими соударения-
ми. — М.: Наука, 1985. — 200 с.
[3] Анурьев В. И. Справочник конструктора-машиностроителя. — М.: Машино-
строение, 1973. — Кн.2. — 576 с.
[4] Полищук Д. Ф. Обобщенная теория цилиндрических пружин. — Ижевск: Изд-
во Удм. ун-та. 1992 г. — 216 с.
[5] Бидерман B. Л. Прикладная теория механических колебаний. — М.: Высшая
школа, 1972. — 416 с.
[6] Зегжда С. А. Соударение упругих тел. — СПб.: Изд-во С.-Петербургского ун-та,
1997. — 316 с.
[7] Батуев Г.С., Голубков Ю. В., Ефремов А. К., Федосов А. А. Инженерные методы
исследования ударных процессов. — М.: Машиностроение, 1977. — 240 c.
[8] Кильчевский Н. А. Теория соударения твердых тел, Киев, Изд-во «Наукова дум-
ка». 1969. — 246 с.
[9] Алабушев П. М., Стихановский Б. Н., Шпигельбурд И. Я. Введение в теорию
удара. — Новосибирск: НЭТИ, 1970. — 158 с.
[10] Гольдсмит В. Удар. Теория и физические свойства соударяемых тел. — М.:
Стройиздат, 1965. — 448 с.
[11] Малышев Б. М. О влиянии волн напряжений на процесс соударения трехмер-
ных упругих тел // Изв. АН СССР, Механика твердого тела, №6, 1973. — С. 74–
78.
[12] Ишлинский А. Ю., Слепцова Г. П. К вопросу об ударе вязко-пластического
стержня о жесткую преграду. — ПМ, 1965, т. 1. №2. С. 1–9.
[13] Полищук Д. Ф. Введение в интеграционную механику. Методы творчества в
классической механике. — Ижевск, Изд–во ИжГТУ, 2004. — 132 с.
[14] Полищук Д.Ф. Введение в инженерную интеграционную механику. — Москва-
Ижевск: Институт компьютерных исследований, 2004. — 68 с.
[15] Полищук Д.Ф. Интеграционная механика. Комплексная методика решения вза-
имосвязанных нелинейных задач. — Москва–Ижевск: Институт компьютерных
исследований; НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика», 2004. — 116 с.
[16] Полищук Д. Ф. Методы творчества в математике интеграционной механики. —
Москва-Ижевск: Институт компьютерных исследований; НИЦ «Регулярная и
хаотическая динамика», 2005. — 184 с.
[17] Лойцянский Л. Г., Лурье А. И. Курс теоретической механики. — т.2. М.: 1955. —
595 с.
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]