СОЕДИНЕНИЯ С НАТЯГОМ

НЕСУЩАЯ СПОСОБНОСТЬ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ И КОНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИИ В ОСЕВОМ НАПРАВЛЕНИИ ПРИ КРУГОВОМ КОНСОЛЬНОМ ИЗГИБЕ ВАЛА

Прочность соединений при переменном изгибе вала до последнего времени мало исследовали. Нами были по­ставлены опыты, направленные на изучение несущей

Способности цилиндриче­ских и конических соедине­ний в этих условиях при од­новременном варьировании факторов, которые влияют на несущую способность: на­тяг, длина сопряжения, же­сткость охватывающей дета-

Рис. 3.1 Образец соединения и гидравлическое приспособление для распрессовки

/—х."рпус приспособления; 2 — плун­жер; 3 — уплотнения; 4 — втулка (сту­пица); 5 — вал; 6 — вращающийся rp. va
Ли, частота нагружения, способ сборки, характер изги­ба вала и др.

Испытания на усталость валов диаметром 30, 100 и 200 мм выполняли на установках, в которых использо­ваны центробежные силы, возникающие при вращении неуравновешенного груза (рис. 3.1).

Нагружение осевыми статическими нагрузками, с помощью которых достигали осевого смещения (распрессовки) вала относи­тельно охватывающей детали, обеспечивалось тарированными гид­равлическими приспособлениями

Соединение (вал со ступицей) устанавливали и закрепляли в Машине, затем нагружали вал круговым изгибом, после чего плав­но повышали осевую нагрузку до полного смещения вала. Усилия Fa при смещении замеряли по манометру, на манометрические трубки которых были наклеены тензорезисторы. Деформации реги­стрировались осциллографической аппаратурой. Момент смещения был заметен визуально по резкому падению давления масла в гид­равлической системс и точно фиксировался на ленте осциллографа

Одна из основных задач при проведении опытов состояла в изучении прочности соединения на сдвиг в зависимости от величи­ны амплитуды переменных напряжений изгиба вала FB=F(At), Которые замеряли с помощью тензорезисторов на расстоянии 20— 25 мм от торца охватывающей детали. Изучение Fa=J(A„) прово­дили на каждом испытуемом соединении путем многократных (5—20) осевых смещений вала на небольшую величину (0,2—0,5 мм) Это обеспечивало одинаковые условия опыта, так как перед каж­дым смещением соединение имело весьма близкие свойства (одина­ковый натяг, площадь контакта и др.). Благодаря тому, что вал выступал с обеих сторон ступицы, диаграмма распрессовки в ста­тических условиях, т. е. без изгиба вала, имела горизонтальный участок и усилия распрессовки были постоянны.

На рис. 3.2 приведена диаграмма распрессовки сое­динений при са = 0, т. е. без изгиба вала при различном характере его смещения. Максимальные значения уси­лий, необходимых для смещения оси, имеют несколько значений: Fi (точка 1)'—прочность при первом сдвиге (начальная); F„ (точки 2)—прочность при последова­тельных малых смещениях; Fy — прочность, соответст­вующая непрерывному сме­щению; FH — прочность, соответствующая наклонно­му участку диаграммы, ког­да один из торцов вала на­чинает двигаться внутри

Рис 3 2. Характерная диаграмма распрессовки при непрерывном и прерывистых смещениях

4* 99

Ступицы при непрерывном уменьшении площади кон­такта. Наиболее стабильными были значения Fy, кото­рые отличались в процессе опыта от средних значений не более, чем на 3%, отклонения Fa были более замет­ными и достигали 5%.

Указанные отклонения Fy и Fa в целом незначитель­ны, в связи с чем их средние значения использованы на­ми в качестве исходных критериев для оценки прочности большинства цилиндрических соединений в условиях переменного изгиба вала.

По указанной методике были испытаны соединения с номинальными посадочными диаметрами 30, 70 и 160 мм. При этом варьировались средние (по Ляме) давления, длина сопрягаемых поверхностей, внешние диаметры охватывающей детали, размеры отверстий в пустотелых валах; изучали влияние накатки роликом, проводили сравнительные испытания на прочность соединений, формируемых методами нагрева и механическим. Основ­ные данные испытаний приведены в табл. 3.1.

Валы и втулки (ступицы) для сравниваемых вариан­тов подвергались механической обработке с идентичны­ми режимами резания; материал валов или втулок сое­динений сопоставляемых типов был одной плавки при одинаковых режимах термической обработки и ковки. Валы запрессовывали во втулки на гидравлических прессах или разрывных машинах со смазкой сопрягае­мых поверхностей вареным растительным или мине­ральным маслом. Сборка выполнялась с помощью на­грева охватывающей детали до 200—300° С в электропе­чи или лабораторном термостате с последующей свобод­ной посадкой вала в отверстие ступицы. Диаметры цилиндрических сопрягаемых поверхностей для опреде­ления натягов и расчета средних давлений измеряли в трех сечениях по длине и по двум взаимноперпендику - лярным направлениям.

Влияние напряжений изгиба вала. Испытания пока­зали, что переменный изгиб вала может существенно снижать прочность соединений в осевом направлении. Для посадок всех типов при консольном переменном изгибе зависимость FR=/(сга) имеет линейный характер, причем при достаточной величине са прочность соедине­ния может быть равной нулю.

На рис. 3.3 приведены графики, показывающие влия­ние переменного изгиба на несущую способность различ­

Ию

Ных соединений. Номера опытных точек на графиках соответствуют очередности проведенных смещений. В случае, когда прочность соединения достигала нулево­го значения, вал выползал из ступицы (в нашем случае вверх) без приложения внешней осевой нагрузки толь­ко под воздействием переменного изгибающего момента. Это явление в дальнейшем будем именовать «саморас - прессовкой».

Для сопоставления определяли прочность соединений на сдвиг при статическом и переменном изгибе вала. Осевые смещения с измерением усилий выполняли при полном покое подвешенного груза. Опыты показали, что статический изгиб при напряжениях вала до ат = = 220 МПа не вызывает заметного изменения прочности соединений на сдвиг (рис. 3.4). Штриховые линии пока­зывают влияние переменного изгиба на прочность этих соединений.

Рис. 3.4. Прочность соединений прн статическом (/) н перемен­ном круговом (2) изгибе вала

Влияние натягов. Опыт­ные данные по прочности однотипных соединений (см. рис. 3.3, а) с различными натягами (контактными дав­лениями) показали, что на­тяг определяет уровень статической прочности и величи­ну усилий сдвига в условиях переменного изгиба вала.

Вместе с тем при линейных зависимостях FK=f(oa) Графики для нескольких соединений с различными натя­гами представляют собой семейство параллельных пря­мых, каждая из которых определяет статическую проч­ность соединения FCT=FR при <та = 0 и зависит от вели­чины натяга.

Статическая прочность зависит от контактного дав­ления нелинейно, в соответствии с чем расстояния между параллельными прямыми будут подчиняться аналогич­ной закономерности. Нелинейная связь прочности сое­динений с натягом объясняется непропорциональной зависимостью коэффициентов трения от давления, а так­же возникновением в поверхностных слоях сопряжен­ных деталей пластических деформаций. Изгиб вала, вызывая перераспределение контактных давлений в сое­динении и увеличивая их на стороне сжатых волокон, может вызывать пластические деформации при меньших исходных значениях натяга. В связи с этим можно по­лагать, что пластические деформации, возникающие при суммировании напряжений от исходных контактных давлений и от изгиба вала, будут искажать линейную зависимость FH=/(ca). Очевидно, что момент возникно­вения пластических деформаций зависит от материала соединяемых деталей. В наших опытах, поставленных с материалами, временное сопротивление которых 400— 700 МПа, а расчетные контактные давления 40—120 МПа, нелинейной связи прочности всех испытанных соединений на сдвиг при переменном изгибе вала до давления 200 МПа не наблюдалось.

При одном и том же натяге величина средних кон­тактных давлений зависит от внешнего диаметра охва­тывающей детали D2 и от диаметра отверстия вала D0-

Эксперименты, проведенные на образцах с посадочны­ми диаметрами 30 и 70 мм при варьировании размеров D2 и d0 показали, что при прочих равных условиях внеш­ний диаметр охватывающей детали или размер отвер­стия вала определяют величину статической и динами­ческой прочности при одинаковых углах наклона линий

Влияние диаметра и длины сопряженных поверхно­стей. При одинаковых напряжениях изгиба валов раз­личного диаметра фактическая прочность соединений соответствует площади сопрягаемых поверхностей. На­пример, при отношении d/l= у испытанных соединений с номинальными посадочными диаметрами 30, 70 и 160 мм их площади сопряжения относятся соответствен­но как 1:5, 5:30. В таком примерно отношении при других сопоставимых условиях находятся их исходная статическая прочность и несущая способность при кру­говом изгибе (см. рис. 3.3, а).

Чтобы выяснить влияние диаметра, нами использова­лась удельная прочность соединения р/ст для ста-

Ndl

Р

Тических условий и (pf)ma ~ —— Для переменного изги-

Ndl

Ба вала. В связи с тем, что Fn=f(aa) подчиняется ли­нейной зависимости, удельная прочность также подчиня­ется этой связи. Поэтому можно записать уравнение прямой (р/)дин — р/ст — Р°а. где р —угловой коэффици­ент.

Обработка экспериментальных данных по этой фор­муле показала, что при d/l= 1 р=0,078; 0,08 и 0,085 для посадочных диаметров 30, 70 и 160 мм соответственно. Небольшая, не превышающая 10% разница в величинах Р для соединений различного диаметра объясняется, по- видимому, масштабным фактором.

В машиностроении преимущественно используют соединения с d//=0,5...1,5. Влияние отношения d/l на прочность посадок изучали на валах из стали 40; ступи­цы были изготовлены из стали СтЗ (рис. 3.5). Влияние длины проверялось с использованием одних и тех же сопряженных деталей. Однако длину каждого из ис­пользованных соединений последовательно уменьшали путем обтачивания ее с торцов для обеспечения отноше­ний d/l= 1,5; 1,2; 1,0; 0,8 и 0,6.

Опыты показали, что значение р находится в линей­ной зависимости от d/1 (рис. 3.6). Это свидетельствует о том, что с увеличением длины соединения влияние пере­менного изгиба на прочность уменьшается и при весьма длинных соединениях оно может стать незаметным. Значительное сокращение длины сопрягаемых элементов может уменьшать в этих условиях несущую способность соединения до недопустимой величины. Исходя из экспе­риментальных данных, удельная прочность

(Р/)ОТн = Р/ст-РМ/Л (3.1)

Где р — угловой коэффициент при d/l= 1.

Влияние способа сборки соединений. Соединения с посадочными диаметрами 70 и 170 мм выполняли меха­ническим или тепловым методом с помощью нагрева ступиц до температуры 250° С в электропечи. Несущую способность соединений, собранных указанными спосо­бами, сопоставляли при одинаковых значениях оа по результатам смещения при первом сдвиге и последую­щей прочности Fu. В связи с тем, что фактические натя­ги у этих соединений могли отличаться, был применен

Р

Коэффициент кН/мм, который показывает, какой

Средней прочностью обладало бы соединение при натяге 0,01 мм.

Приведенные в табл. 3.2 результаты опытов показы­вают, что прочность соединений при тепловой сборке при первом смещении в среднем в 2 раза выше, чем при прессовой. Разница в прочности прн последующих сме­щениях (рис. 3.3, в) была меньше и составляла 20—40%. Последнее обстоятельство связано с тем, что при тепло­вой сборке после первого смещения микронеровиости сопрягаемых поверхностей срезаются и выглаживаются.

У соединений, собранных тепловым и механическим способами, зависимость Fn=f(oa) имеет линейный ха­Рактер и значения р являются одинаковыми.

Поверхностно-пластическое деформирование, явля­ясь эффективным средством повышения предела вынос­ливости осей, позволяет повышать уровень допусти­мых нагрузок в осях. Увеличение переменных нагрузок вызывает снижение несущей способности соединений в Осевом направлении. В этих условиях особенно важными являются данные по прочности сопряжений с накатан­ными осями.

Испытывали валы диаметром 30 и 70 мм из стали 40 с авр=570...620 МПа, 6]0=22...26%. Накатку осей произ­водили трехроликовым приспособлением. Твердость на­

Рис. 3.7. Образец конического сое­динения с приспособлением для его распрессовки

Катанного слоя была на 20—28% выше, чем у исход­ного металла. После накат­ки валы диаметром 30 мм обрабатывали шлифовани­ем, а валы диаметром 70 мм— точением. Их соединяли со ступицей как механическим, так и тепловым способом.

Испытания показали, что разницы в прочности сое­динений с накаткой вала и без нее при переменном из­гибе нет при любом способе сборки. Было подтверждено, что прочность при первом сдвиге соединений, собранных тепловым способом, примерно в 2 раза, а при после­дующих смещениях на 20—40% выше, чем соединений, собранных механическим способом.

Прочность конических соединений на сдвиг при кру­говом консольном изгибе вала. Испытывали соединения (рис. 3.7) со средним диаметром 70 мм и длиной 100 мм пяти вариантов: цилиндрические и конические с конус­ностью 1:10, 1 :25, 1 :50 и 1 : 100; для каждого варианта изготовляли три образца. Валы были изготовлены из проката стали 45 одной плавки, ступицы из стали 35Л также одной плавки. Сопрягаемые поверхности оконча­тельно обрабатывали шлифованием. Сборку производили тепловым способом. Перед сборкой поверхности сопря­жения обезжиривали ацетоном. v

Прочность соединений оценивали по усилиям при первом смещении. Зависимость ^д=/(оа) изучали на каждом коническом соединении путем его неоднократной разборки и сборки после первого смещения. Диамет­ральный натяг для всех конических посадок был принят 0,12 мм. Его контролировали по осевому натягу, замеря­емому с помощью плоско-параллельных мер длины. По­ложение вала по отношению к ступице при каждой сборке ориентировали по окружности с помощью рисок, которые совмещались при запрессовке.

Такие меры, а также отсутствие заметных поврежде­ний поверхностей при проведении опытов позво-

Лили обеспечить достаточно стабильную исходную проч­ность соединения перед каждым его смещением. Посад­ки испытывали на прочность при трех уровнях напряжений изгиба аа на валу, равных 40, 80 и 120 МПа, причем при каждом уровне напряжений конические сое­динения испытывали не менее 3 раз с определением среднеарифметического значения.

На рис. 3.8 приведены результаты опытов. Прочность конических соединений в условиях кругового изгиба ва­ла тем меньше, чем выше <та при линейной связи =/(оа). Наклон линии прочности имеет тенденцию к увеличению с ростом конусности. Так, например, значе­ние р для соединений с конусностью 1:10 примерно на 25% выше, чем для цилиндрических соединений. Замет­ной разницы в величинах р для конусности 1 :25, 1:50 и 1:100 по сравнению с цилиндрическими обнаружено не было. По-видимому, отличие значений р для них на­ходилось в пределах точности поставленных опытов.