СОЕДИНЕНИЯ С НАТЯГОМ

АНАЛИЗ ПРИЧИН СНИЖЕНИЯ ПРОЧНОСТИ СОЕДИНЕНИЙ ПРИ ПЕРЕМЕННОМ ИЗГИБЕ

Одной из возможных причин снижения прочности ранее называли [44] вызванную изгибом деформацию ступи­цы. Для консольного изгиба была предложена формула, по которой рекомендовали определять максимально воз­можный момент защемления: 0,2 PdP. Смысл этой зависимости состоит в том, что во избежание раскрытия стыка изгибающий момент, действующий на вал, не должен превышать М3.

Указанная формула не рекомендуется для оценки прочности на сдвиг при изгибе. Во-первых, в формуле отсутствует коэффициент трения, который, как показали опыты с соединениями, собранными механическим и теп­ловым способами, существенно влияет на прочность сое­динения. Во-вторых, формула не учитывает характер прилагаемых нагрузок (статические или динамические). Например, при d=l величина напряжений изгиба вала из условий нераскрытия стыка не должна превышать

O.Id* 0,Id» • и

В действительности для подобных соединений величи­на статических напряжений изгиба достигала сущест­венно большей величины без потери прочности соедине­ния. Нами получено, что в динамических условиях про­исходит снижение прочности. Причиной этого следует считать скольжение на части сопрягаемых поверхностей соединения. О наличии скольжения в посадках известно по явлению коррозии при трении, которая является одной из причин снижения предела вывосливости вала. Скольжение является результатом образующейся разни­цы в удлинениях вала и втулки, которая превышает ве­личину предварительного смещения. Оно переводит процесс трения покоя в трение движения на некоторых участках поверхности, вследствие чего суммарная проч­ность соединения снижается. С увеличением изгибающих моментов (напряжений) площадки скольжения растут, вызывая соответствующее дальнейшее снижение прочно­сти соединений.

Увеличение площадок скольжения с ростом напря­жений вала убедительно показано в опытах, проведен­ных на натурных соединениях вагонных колес с осями.

Из-за относительного скольжения прочность может снижаться лишь до определенного предела, который зависит от скорости скольжения и имеет отличное от ну­ля значение. Этот предел в наших опытах был установ­лен, например, при оценке прочности на скручивание при переменном изгибе вала. В то же время, как это следует из экспериментальных данных, прочность на сдвиг при консольном изгибе может снижаться до нуля и при этом происходит самораспрессовка, которую нель­зя объяснить лишь наличием скольжения. Самораспрес­совка может быть объяснена только возникновением до­полнительной силы. Эта сила была зафиксирована с помощью динамометра, схема которого показана на рис. 3.16, а. Динамометр 3 одним концом соединен с осью 1, на которой находится втулка 2, а другим со станиной усталостной машины. Динамометр совместно с наклеен­ными на него датчиками по схеме, исключающей реги­страцию изгиба стержней, тарировали на разрывной ма­шине.

Для испытаний были отобраны цилиндрические сое­динения (D=70 мм) с исходной прочностью такой вели­чины, при которой самораспрессовка происходит при сравнительно небольших напряжениях изгиба. Соеди-

Нение доводили до самораспрессовки и при этом фикси­ровали силу натяжения динамометра. Установлено, что в момент наступления самораспрессовки динамометр начинает регистрировать возникновение силы, которая в первоначальный момент растет, а затем стабилизируется, становясь равной упругой энергии динамометра. Было отмечено, что после самораспрессовки и остановки ма­шины динамометр продолжает находиться в растянутом положении. С ростом напряжений изгиба после момента самораспрессовки сила увеличивается и одновременно растет скорость перемещения оси относительно ступицы. Наличие этой силы было подтверждено также опытами на конических соединениях (d=25 мм) с так называе­мой обратной конусностью (рис. 3.17), у которых боль­ший диаметр конуса изгибом не нагружается.

Были испытаны соединения с конусностью 1: 100; 1 :50; 1 :25 и 1 : 10. Соединения собирали без натяга и устанавливали их в машину, лишь слегка удерживая ось во втулке. Переменный изгиб оси приводил к переме­щениям ее в ступице (в нашем случае вверх) и запрес­совке. Величины полученных осевых и соответствующих им диаметральных натягов приведены в табл. 3.5. Уве­личение напряжений изгиба вызывает рост натяга сое­динения. Наряду с подтверждением наличия силы,

Снижающей прочность посадки, было установлено, что при консольном изгибе соединения с обратной конусно­стью можно относить к категории самоупрочняющихся посадок. Если переменный изгиб оси у цилиндрических или конических соединений с прямой конусностью мо­жет вызвать окончательное расстройство узла сопряже­ния, то при обратной конусности в этих условиях прои­зойдет лишь незначительное осевое смещение оси, что увеличит натяг, в результате чего необходимая проч­ность будет обеспечена. Возникновение самораспрессов­ки следует объяснить следующим образом. Изгиб оси вызывает перераспределение контактных давлений. Уве­личение контактных давлений на сжатой стороне соеди­нения препятствует проникновению оси внутрь втулки, а на растянутой зоне в этот же момент сопротивление перемещению оси из втулки наружу снижено из-за уменьшения контактных давлений.

В связи с этим (рис. 3.18) проис­ходит поворот сечения оси вокруг точки В и точка А займет положение А. При циклическом нагружении век­торы сил трения вращаются и усло­вия поворота сечения оси изменяются.

Рис. 318. Схема возникновения самораспрес­совки

После того, как верхняя часть оси будет находиться в состоянии сжатия, точка А может не возвратиться в прежнее положение, а переместится в положение Аъ так как при этом происходит сначала восстановление, а за­тем увеличение контактных давлений и сил сцепления в этой зоне. Последовательным повторением указанного явления на диаметрально противоположных сторонах соединения сечение АВ может занять положение ЛгВ2. Для такого перемещения необходимо достаточное сни­жение прочности из-за относительного скольжения. Раз­личные величины деформаций на противоположных сто­ронах соединения предполагают возникновение постоян­ной составляющей напряжений растяжения в оси, сум­ма которых по всему сечению и будет равна выталки­вающей силе. Эта сила существует при всех значениях переменного изгиба, о чем свидетельствует разница в усилиях смещения оси в противоположных направлениях. Ее величина ^«0,5М1/й»0,015л£Р/сГа.

С позиций основных причин снижения прочности сое­динений при переменном изгибе можно объяснить разли­чие в прочности соединений с неодинаковой конусно­стью. У соединений с большей конусностью относитель­ное скольжение на части поверхности в большей степени нарушает условие самоторможения.

Это можно проиллюстрировать примером соединений с конус - ностями 1 : 100 и 1 : 10 путем сравнения отношения их прочности в статических и динамических условиях. Предположим, что у соеди­нений с этими значениями конусности площади участков скольже­ния равны и составляют 0,5 всей сопрягаемой поверхности. Условно примем коэффициенты трения покоя Fn=0,2 и движения /д=0. Прочность конической посадки в динамических условиях

Fn = ndlp (0,5/п -)- 0,5/д—Tga), а в статических FCT—ndlp (fn—Tga).

Тогда для конусности 1 : 10 получим Fa/FCT=0,333, а для конусно­сти 1 : 100 Fa/FCT=0,487.

Следовательно, при равных оа у посадки с увеличенной конус­ностью происходит большее снижение прочности при переменном изгибе.