Диссертация (Разработка метода обеспечения работоспособности винтовых сопряжений с твердосмазочными покрытиями), страница 10

Определение нагрузки на первом витке;2. Определение средних контактных давлений на первом витке;3. Определение максимально допускаемых контактных давлений приконтакте шероховатой поверхности с поверхностью с ТСП.4. Сравнение средних и максимально допускаемых контактныхдавлений на первом витке. Средние контактные давления должныбыть меньше допускаемых давлений.При этом, учитывая соотношения и зависимости по влияниюиспользуемых материалов, шероховатости изготовления гайки, шага резьбы,толщины покрытия и других параметров на распределение нагрузки повиткам,можноснижатьнагрузкунапервыйвиток,темсамымоптимизировать параметры винтовых пар с ТСП.По результатам проведенных исследований была разработана методикаСТП ЦИ029 (Приложение 3), по которой изготовлена и внедрена на узлеформирования стеклохолста ООО «Альстром Тверь» винтовая пара спокрытием ВНИИ НП-212 № ЦИ029.000.000 СБ (Приложение 4).

Врезультате внедрения данного винтового сопряжения удалось достичьснижения брака готовой продукции на 0,03 %.85Также к положительным эффектам внедрения винтового сопряжения сТСП можно отнести: пониженный износ в режиме старт-стоп, снижениенагрузки на первый виток до 70%, как следствие, повышение максимальнойнесущей способности и износостойкости винтового сопряжения.5.2. Разработка методики обеспечения работоспособности и оптимизацияпараметровноминальнонеподвижныхрезьбовыхсоединенийствердосмазочными покрытиямиОсновнымипараметрами,определяющимиработоспособностьноминально неподвижных резьбовых сопряжений, являются усилие затяжки.Дляулучшенияхарактеристикнеобходимообеспечитьмаксимальновозможное усилие затяжки.Существует решение расчета распределения нагрузки по виткам иусилия затяжки затянутого резьбового соединения без использования ТСП,нагруженного отрывающей силой Fa (рисунок 5.2), предложенное ИвановымА.С.

[28].Рисунок 5.2Затянутое резьбовое соединение, нагруженное отрывающей силой Fa [28]86По предложенному решению, предлагается первоначально вычислитьсистему уравнений (5.4), (5.5) и определить силы Fi, нагружающие каждыйвиток и создаваемые силой F = Fзат [28].F = F1 +…+ Fi +…+ Fn;δ1 – δ2 = Δ11 + Δ21;………………….δi – δi+1 = Δ1i + Δ2i;(5.4)………………….δn-1 – δn = Δ1(n-1) + Δ2(n-1),где n – число витков гайки; 1i  P Fi / EA 1  – удлинение тела винта между ini 1м и i+1 витками;  2i  P Fi / EA 2  – укорочение тела гайки между i-м и i+1ni 1витками; P – шаг резьбы; E – модуль упругости материалов винта и гайки;A1, A2 – площади поперечного сечения винта и гайки.δi = cε (Fi/Aр)0,5(5.5)Далее необходимо решить следующую систему из n + 1 уравнений:Fзат + χFa = F1Σ +…+ FiΣ +…+ FnΣ;δ1Σ – δ2Σ = Δ11Σ + Δ21Σ;………………….………δiΣ – δ(i+1)Σ = Δ1iΣ + Δ2iΣ;(5.6)………………….………δ (n-1)Σ – δnΣ = Δ1(n-1)Σ + Δ2(n-1)Σ,l д 1   FaE д Aд ( 1   )FaF cд д  затAд0 ,50 ,5F  зат  Aд 874 Fa  l 0  0,5H 2 l1  2  cE d2d1 0 ,50 ,5 F1  F1  , Aр   A р  где χ – коэффициент основной нагрузки, характеризующий долю внешнейнагрузки, приходящуюся на винт; χFa – нагрузка на винт, создаваемая силойFa; FiΣ – суммарная нагрузка на i-й виток; δiΣ – сближение в i-м витке поддействием этой нагрузки; Δ1iΣ , Δ2iΣ – удлинение тела винта и укорочение телагайки между i-м и i+1 витками; lд – высота деталей; Eд – модуль упругостиматериала деталей; Aд – площадьповерхности контакта деталей; εд –коэффициент влияния масштаба контактирующих поверхностей деталей [1,3]; d – диаметр винта; d1 – внутренний диаметр резьбы винта; l0 – длинагладкой части винта; H1, H2 – высота гайки и головки винта; l1 – длинанарезанной нагруженной части винта [28].cд – коэффициент влияния шероховатости контактирующих поверхностейдеталей.

Вычисляется по формуле [28]:cд = Ra c0 [H/(EH E)]0,5[5.7]где Ra – средняя арифметическая высота микронеровностей; c0 = f (видобработки, направление следов обработки) – безразмерный параметр; H –твердость наиболее мягкой контактирующей поверхности; EH – модульупругости материала контактирующей поверхности, у которой меньшаяивердость; E = 2E1E2 /(E1 + E2) – приведенный модуль упругости; значения H,EH, E – в МПа [28].Первое уравнение в системе (5.6) – уравнение равновесия, последнее –уравнение совместности перемещений винта, гайки и деталей, остальныеуравнения – уравнения совместности перемещений витков винта и гайки.Уравнение совместности перемещений винта, гайки и деталей получено из88условия, что укорочение деталей (с учетом контактного сближения в стыкедеталей, которое связано с контактным напряжением зависимостью (5.5)) приизменении на них нагрузки от Fзат до [Fзат - (1 – χ)Fa] равно сумме удлинениятела винта и сближения вследствие контактных деформаций под первымвитком при изменении нагрузки на винт от Fзат до (Fзат + χFa).

При выводеуравнения принято, что стягиваемые винтом детали деформируются по всейплощадистыка,таккакприсреднейарифметическойвысотемикронеровностей поверхности стыка Ra > 0,4 мкм и достаточной толщинедеталей контактное напряжение от затяжки винтов распределяется [29] повсей ее поверхности в значительной степени равномерно [28].Для решения задачи расчета распределения нагрузки по виткам иусилия затяжки затянутого резьбового соединения, в котором на гайкунанесено ТСП и, нагруженного отрывающей силой Fa, первоначальнонеобходимо решить систему уравнений (3.1), (3.3) и определить силы Fi,нагружающие каждый виток и создаваемые силой F = Fзат.

Далее необходиморешить следующую систему из n + 1 уравнений:зат(5.8)89l д 1   FaE д Aд F  (1   ) Fa cд  д  затAд0,50,5 F зат   4  Fa    EA д  1  F1   3,266 R p 1 Ai HVt m   F1   rR p  A HVt   3,266m  i41  F1   3,266 R p 1 Ai HVt m   F1   rR p  A HVt   3,266im4где–осеваясопряжения; n–нагрузкачислошероховатой поверхностьюповерхность винта;i+1 витками;∑витками; P – шаг резьбы;5 15 1воспринимаемаявитков l 0  0,5 H 2 l1  2  2dd1 гайки;–i-мвиткомконтактнаярезьбовогодеформацияi-го витка гайки ТСП нанесѐнного на∑⁄– удлинение тела винта между i-м и⁄–укорочение тела гайки между i-м и i+1– модули упругости материалов винта игайки; Aв, Aг – минимальные площади поперечного сечения винта и гайки; χ– коэффициент основной нагрузки, характеризующий долю внешнейнагрузки, приходящуюся на винт; χFa – нагрузка на винт, создаваемая силойFa; lд – высота деталей; Eд – модуль упругости материала деталей; Aд –площадь поверхности контакта деталей; εд – коэффициент влияния масштабаконтактирующих поверхностей деталей; cд– коэффициент влиянияшероховатости контактирующих поверхностей деталей; d – диаметр винта;d1 – внутренний диаметр резьбы винта; l0 – длина гладкой части винта; H1, H2– высота гайки и головки винта; l1 – длина нарезанной нагруженной частивинта.90Первое уравнение в системе (5.8) – уравнение равновесия, последнее –уравнение совместности перемещений винта, гайки и деталей, остальныеуравнения – уравнения совместности перемещений витков винта и гайки.Уравнение совместности перемещений винта, гайки и деталей получено изуравнения, предложенного Ивановым А.С.

в работе [28]. Часть уравнения,которая относится к контактным деформациям винта и гайки без ТСП,заменена на уравнение вычисления контактных деформаций шероховатоготвердого тела и тела, на которое нанесено ТСП при его пластическихдеформациях.Таким образом, мы имеем систему уравнений для расчета усилиязатяжкиноминальнонеподвижногорезьбовогосопряжениясТСП,описываемую соотношениями (3.1), (3.3), (5.8).Если материалы винта и гайки одинаковы, то опасен срез витков винта,происходящий по цилиндрической поверхности диаметра D1.Напряжение среза в резьбе винта [64]:1 F  срD1kH1k m(5.9)где H 1 – высота гайки; k – коэффициент полноты резьбы; длятреугольной резьбыk  0,87 ; для трапецеидальной резьбы k  0,65 ; k m –коэффициент неравномерности нагрузки по виткам резьбы, с учетомпластических деформаций k m  0,55...0,75 (большие значения для крупнойметрической резьбы и при условии, что материал болта существенно прочнеематериала гайки).Напряжение смятия в резьбе [64]: см 4F (d  D12 )k m z2(5.10)91где z Hr– число витков на длине свинчивания (высоте гайки).PЧасто расчеты резьбы выполняют в форме расчетов по среднимноминальным напряжениям, полагая k m  1 .

Это связано с приближеннымгеометрическим подобием резьб разных размеров и с тем, что допускаемыенапряжения выбирают на основе испытаний резьбовых соединений илиданных эксплуатации, обработанных по тем же формулам [64].Решая систему уравнений (5.9) и (5.10) можно произвести расчетпрочности на срез и на смятие витков винта соответственно. При этом,учитываясоотношенияизависимостиповлияниюиспользуемыхматериалов, шероховатости изготовления гайки, шага резьбы, толщиныпокрытия и других параметров на распределение нагрузки по виткам, можнооптимизироватьпараметрыноминальнонеподвижныхрезьбовыхсопряжений с ТСП. Методика обеспечения работоспособности аналогична сметодикой для винтовых пар с ТСП, описанной в п.5.1.92Основные результаты работы и выводы.Получены теоретические и экспериментальные зависимости, которыепозволили разработать методику обеспечения работоспособности винтовыхсопряжений с ТСП.

При проведении теоретических и экспериментальныхисследований получены следующие результаты:1. Разработана методика обеспечения и повышения работоспособностивинтовых передач с ТСП и номинально неподвижных резьбовых сопряженийс ТСП;2. Получены расчетные соотношения, позволяющие прогнозироватьраспределение нагрузки по виткам трибосопряжения типа винтовая пара сТСП, а также соответствующие значения коэффициента неравномерностираспределения нагрузки K m , в зависимости от физических свойств покрытия,шероховатости гайки, шага резьбы, нагрузки, толщины покрытия приупругом и пластическом контакте. Теоретические исследования показывают,что при использовании ТСП K m принимает значения от 0,70 до 0,93.3.

Разработана методика и оборудование для экспериментальногоисследования фрикционного взаимодействия пар трений с ТСП в широкихнагрузочно-скоростных диапазонах режимов испытаний;4. Получена экспериментальная зависимость влияния шероховатостиконтртела на износостойкость пар трения с ТСП. Исследована оптимальнаяшероховатость контртела. Установлено, что основная часть материала ТСП,после приработки, за счѐт фрикционного переноса с поверхности образцаформирует покрытие на шероховатой поверхности контробразца.5. Получена экспериментальная зависимость влияния шероховатостиконтртела на средний размер частиц и распределение размера частиц износаТСП в зоне контакта.

Установлено, что в общем случае, распределениеразмерачастицможноописатьэкспоненциальнымраспределением.93Установлено, что для реализованных режимов и условий испытанийраспределениесреднихразмеровчастицизносавзависимостиотшероховатости имеет минимум соответствующий контробразцу исходнойшероховатостью Ra 1,76 мкм.6. Получена зависимость процесса приработки от шероховатостиконтробразца и толщины покрытия тела.Разработанная методика позволяет обеспечивать надежность винтовыхсопряжений с ТСП.