Подгорный А.Н. - Задачи контактного взаимодействия элементов конструкций (1050668), страница 38
Текст из файла (страница 38)
Как и выше, точками на данном рисунке указаны результаты МКЭ. Неточн очность изготовления составных частей замкового соединения или технологической сборки узла может коренным образом изменить картину распределения напряженного состояния. Наличие максимально допустимых зазоров, перекосов приводит к тому, что пере- распределяется нагрузка на зубья, вплоть до выхода отдельных зубьев из контакта. Рассмотрим случаи, когда в результате неточности изготовления или сборки несущим явля тся верхний зуб,' а нижний и средний не контактируют, т.
е. между контактными площадками существует зазор. Напряженное состояние в районе верхнего зуба возрастает в этом случае в 2,5 — 3 раза. Кроме того, изменяется и картина деформированного состояния конструкции, о чем свидегельствует распределение контактных давлений на площадке 0 — 0 (рис 69, сплошная кривая). Для подтверждения достоверности полученных расчетных данных МКЭ и ПМГЭ была проведена серия расчетов и экспериментов на образцах нз оптически активного материала. При этом эксперимент и расчеты проводились в рамках плоского напряженного состояния как для хвостовика лопатки, так и для грибка обода диска.
Действие пера лопатки моделировалось равномерно распределенной нагрузкой интенсивностью а = 0,0666 МПа. Граничные условия по линии г = 0,889 м принимались следующими: т„= О; и, = О. Центробежные силы отсутствовалн, модуль упругости Е = 0,4 . 10' МПа, коэффициент Пуассона и = 0,495. Расчетные (МКЭ и ПМГЭ) и экспериментальные данные для верхней опорной площадки приведены на рис. 70 для грибка и на рис. 71 длн хвостовика лопатки. Звездочками на рнс. 70, 7! показаны результаты эксперимента, точками — расчетные данные МКЭ.
Экспериментальное определение напряжений производилось по стандартной методике разделения напряжений с помощью разности касательных напряжений. Для снижения влияния краевого эффекта использовался отжиг модели и принимались поправки, позволяющие учесть собственные напряжения модели. Приведенные результаты свидетельствуют о достаточно хорошем согласовании численных и экспериментальных данных, что подтверждает правильность основных положений методики решения контактных задач МКЭ н ПМГЭ. 2. Определение напряженно-деформированного состояния многоопорного замкового соединения елочного типа Таблица 12 г, 'с а а'.
Псраа — 5 мпа 20 0,1 2,18 Сталь 15Х2ВНМФ О.З 2,508 650 700 0,1 О,З 1,98! 400 450 О, ! 550 0,115 1,75 Сталь ХН55ВМТЮ 0,3 1,943 500 550 0,1 0,3 2,092 420 480 0,1 20 0,113 223 750 0,144 1,74 Торцовые замковые соединения елочного типа являются наиболее распространенными в практике отечественного машиностроения. Они имеют различное число опорных площадок (2 — 6) и используются, как правило, на дисках последних ступеней, так как способны выдерживать значительные (более 300 кН) центробежные усилия лопаток.
Рассмотрим трехопорное замковое соединение первой ступени газотурбинной установки ГТК-!О, расчетная схема которого приведена на рис. 72. В отличие от задач предыдущего параграфа, исследование НДС торцового соединения проводится в рамках плоской деформации с учетом реального распределения температур, полученного экспериментально на работающей установке в стационарном режиме. Исходные данные для расчета: угловая скорость ротора ьа = = 544,5 рад!с; число лопаток на диске — 90; центробежная сила пера лопатки — 105,!О кН; центробежная сила лопатки с хвостовиком — !73,67 кН.
Общая нагрузка распределяется между тремя парами контактных поверхностей, которые будем обозначать в порядке возрастания радиуса цифрами О, 1, 2. 19! с„//',//иа ем/О',Мчи /5 5 /4/В',и 45 Рис. 76 Рис. 74 13' 194 ки — сжимающими. Их значения и в этом случае сравнимы с радиальными и превосходят значения окружных компонент тензора напряжений. При условиях (Ч1.4) конструкции предоставлена более полная свобода деформирования в направлении оси ротора.
Хвостовнк лопатки здесь деформируется независимо от венца диска, а торцовые сечения составляющих замка могут иметь различные углы поворота. Температурное расширение в данном случае практически не стеснено, чему соответствуют малые по сравнению с радиальиымизначения осевых напряжений (см. рис. 73, 74), которые примерно равны значениям окружных напряжений, а следовательно, их учет необходим в дальнейших упругопластнческих расчетах. Рассматриваемая схема (П.4), по-видимому, наиболее правильно отражает характер деформированного состояния элементов замкового соединения и принимается для проведения дальнейшего анализа. Отметим также, что в отсутствие температурного воздействия результаты, полученные по схемам (Л.1) — (Ч1.4), практически сов- падают, так как в этом случае деформации конструкции в осевом направлении малы. В результате проведенных расчетов установлено, что с учетом температуры стационарного режима распределение нагрузки стало более неблагоприятным и составило Р, = 1,851Р; Р, = 1,058Р; Р, = 0 091Р.
о — ... Наибольшее догружение получили верхние зубья соединения, которые воспринимают около 62 44 общей нагрузки. Картина линий равного уровня интенсивности напряжений о; ° 10 ' (в МПа) для Рис. 75 рассматриваемого случая показана на рис. 75. Исключая эоны контактного взаимодействия, наибольшее значение интенсивности напряжений наблюдается на верхнем зубе диска. Естественно предположить, что в момент прогрева, когда температурный перепад в соединении максимален, происходит дополнительное догружеиие верхних контактных площадок. Высокий уровень нагрузки обусловил появление зоны пластических деформаций в районе верхних контактных площадок 2.
Средний и нижний зубья замка работают при этом упруго. Следует отметить, что пластические деформации носят местный характер и слабо влияют на перераспределение нагрузок по зубцам соединения. Этот факт отражен на графи/1ах контактного давления, построенных для верхней контактной площадки (рис. 76), где сплошной кривой показаны нормальные напряжения для упругого решения, а штриховой — для упругопластического.
Вертикальная штриховая линия обозначает границу области взаимолействяя и является асимптотой упругого решения. Ра . 77 Появление пластических деформаций несколько сгладило неравномерность загрузки зубьев. В данном случае Р, = 1,745Р; Р, = = — 1,068Р; Р = 0,187Р. Прн повышении оборотов ротора компрессора на 20 %, что возможно при испытаниях или в аварийном режиме, появляются местные пластические деформации на среднем зубе замка и увеличивается зона пластичности на верхнем зубе. На рис. 77 показан фрагмент расчетной схемы замка в районе верхней контактной площадки с картиной зон пластичности при нормальных (сплошные кривые) и повышенных (штриховые кривые) оборотах. В последнем случае получено следующее распределение усилий: Р, = 1,256Р; Р, = 1,089Р; Р, = 0,655Р Сравнение двух последних результатов показывает, что с ростом пластических деформаций распределение нагрузки стремится к равномерному, что согласуется с данными работы 1491.
Как отмечалось выше, неточность изготовления составных частей замкового соединения может коренным образом изменить картину распределения как в лучшую, так и в худшую сторону, вплоть до выхода отдельных зубьев из контакта. Очевидно, что более равномерное распределение нагрузок на зубья соединения можно получить 1113) в случае, когда соотношение зазоров между опорными площадками будет подчинено неравенству Ь,)бы)6 (Ъ'1.
5) Подтверждением этого служат результаты решения упругопластнческой контактной задачи, где принят максимально допустимый (в пределах технологических допусков) зазор бз„= 0,1732 10 м при бм — — бз, = О. В этом случае Р, = 1,267Р: Р, = 1,386Р; Р, = = 0,345Р. Значение интенсивности напряжений в районе верхнего зуба уменьшилось при этом в среднем в 1,5 раза по сравнению с идеально изготовленным замком, зона пластичности заметно сократилась.
Необходимо отметить, что результаты, полученные для рассматриваемой конструкции с учетом сухого трения (~„= 0,3), незначительно отличаются от расчетов, выполненных в предположении абсолютного проскальзывания (),р — — 0) на ковтактнь<х площадках. Эффект трения в конструкциях данного типа проявляется слабо вследствие малой протяженности участков взаимодействия н незначительного угла нх наклона. Малая погрешность от неучета трения идет в запас прочности соединения. Таким образом, в результате проведенных расчетов по исследованию НДС замковых соединений лопаток турбомашин установлено, что учет реального температурного поля приводит к перераспределению усилий в сторону догружения верхних (по радиусу) зубьев замка.
Прн этом наиболее напряженным оказывается верхний зуб диска. Значения интенсивности напряжений возрастают здесь в 1,5 — 2 раза по сравнению с расчетными при нулевой температуре. При данном выборе пары материалов, когда коэффициент линейного расширения более нагретой части соединения — хвостовика лопатки больше, чем у гребня диска, температурные деформации вызыва.от неблагоприятное для конструкции распределение нагрузок между зубьями из-за появления температурных зазоров на нижних контактных площадках. Это приводит к возникновению зон пластичности в районе верхних контактных площадок.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
