Василенко Анатолий Витальевич

Библиотека | Ссылки | Отчет о поиске | Индивидуальное задание

Автореферат

1. Актуальность и цель работы.

    В современном машиностроении, в том числе и металлургическом, достаточно широко распространены соединения с натягом типа «вал-втулка».
     Ярким примером таких соединений является совмещение подшипников качения, выступающих в современных тяжелых машинах и механизмах в роли опор валов и вращающихся осей, с посадочными местами с помощью посадок с натягом. Разборка подшипников качения выполняется в следующих случаях: при разрушении подшипника, при замене деталей, расположенных между опорами вала, и при грубых дефектах сборки.
    Распрессовку подшипников качения (как и любых других напрессованных деталей) можно осуществить двумя методами: «сухой» распрессовкой и гидропрессовой распрессовкой.
    «Сухая» распрессовка применяется, когда давления на контактных поверхностях, определяемые заданными натягами и физико-механическими характеристиками сталей, не вызывают разрушения контактных поверхностей посадочных мест. Используют этот метод при распрессовке подшипников с малым внутренним диаметром (d<=70 мм) и подшипниковых узлов с малыми натягами. Гидропрессовая распрессовка позволяет лучше сохранить детали для повторной сборки.
    «Сухую» распрессовку втулок осуществляют с помощью съемников разнообразных конструкций.
    Существует большое разнообразие съемников по развиваемым усилиям. Различают механические и гидравлические съемники. Последние позволяют развивать более высокие усилия, чем механические, и дают возможность распрессовывать как средние (d=70-200 мм), так и большие подшипники качения (d>200 мм).
     Для распрессовки большинства соединений с натягом типа «вал-втулка» можно подобрать съемник с соответствующим развиваемым усилием и применить его, если это позволяет конструкция данного узла. Съемники удобны в эксплуатации, просты по конструкции, легко транспортируются. Эти преимущества обуславливают необходимость наличия съемников на каждом предприятии, ведущем монтажно-демонтажные работы. Распространению съемников может способствовать увеличение применений прессовых посадок в машиностроении, которые имеют ряд преимуществ по сравнению со шпоночными и шлицевыми (минимум деталей в соединении, отсутствие выполненных при изготовлении совмещаемых деталей концентраторов напряжений, простота изготовления посадочных поверхностей).
    Производство съемников для удовлетворения спроса в этом инструменте со стороны предприятий и фирм должно носить эффективный характер, то есть должно быть экономным с точки зрения затрат на изготовление при обеспечении силовых и прочностных характеристик инструмента. Это важно в условиях современной рыночной экономики.
    Целью работы является разработка рекомендаций по снижению металлоёмкости гидравлического съемника с наружным захватом при обеспечении требуемых силовых и прочностных характеристик этого инструмента для уменьшения материальных затрат на его изготовление.

2. Предполагаемая научная новизна.

    Исследование напряженно-деформированного состояния деталей механизма всегда представляет интерес, так как позволяет оценить недостатки их конструкции (наиболее слабые стороны или наоборот, элементы, не требующие излишней массивности).
    Особый интерес представляет применение метода конечных элементов и программы ANSYS для оптимизации конструкции деталей съемников, являющихся широко используемым демонтажным инструментом.
    Для достижения в рамках магистерской работы поставленной цели предполагается решить следующие задачи:
- определить силы, действующие на детали гидросъемника;
- создать твердотельные модели основных узлов гидросъемника;
- исследовать напряженно-деформированное состояние деталей;
- разработать рекомендации по оптимизации конструкции деталей узлов гидросъемника с целью уменьшить их материалоемкость.
    Данная работа может стать примером решения задачи оптимизации деталей гидросъемников (и других механизмов) при помощи метода конечных элементов и единственного сертифицированного программного комплекса ANSYS.

3. Планируемый практический результат.

    Любая оптимизационная задача выполняется прежде всего для практического применения полученных результатов: уже создано что-то, используемое человеком (например, машина, механизм, технологический процесс), но по каким-либо причинам требующее улучшения.
     В данной магистерской работе предполагается достигнуть снижения металлоёмкости деталей гидросъемника, и таким образом, снижения материалоёмкости всего изделия в целом без изменения его силовых характеристик. Такой требуемый результат исследования вполне объясним, так как сырьё и материалы являются одной из основных расходных статей при производстве материальных благ.
    Таким образом, планируемый практический результат магистерской работы представляется следующим:
- применение разработанных рекомендаций позволит изготавливать гидросъёмник, конструкция определенных деталей которого будет изменена в сторону уменьшения их металлоёмкости без потери ими прочностных качеств, что также приведет к снижению веса всего изделия;
- уменьшение материалоёмкости при производстве гидросъемника должно дать экономический эффект в виде уменьшения себестоимости изготовления продукции.

4. Обзор информации о съёмниках.

    Для ознакомления с существующими сведениями о применении, конструкциях и конструировании съёмников был проведен поиск соответствующей информации печатного характера и из интернет-источников, результатом которого является следующее.
     В процессе осуществления операций, связанных с разборкой прессовых посадок типа «вал-втулка», должны выполняться следующие требования:
- качество посадочных поверхностей не должно ухудшаться. Значительные силы распрессовки приводят к образованию задиров на шейке вала и контактной поверхности втулки, в результате чего уменьшается проектный натяг и детали становятся непригодными к повторной сборке из-за снижения прочности соединения;
- работы по распрессовке должны отличаться эффективностью, т.е. быть минимально трудоёмкими. Это требование выполняется, когда характеристики инструмента (сила, создаваемая съёмником) соответствует характеристикам соединения «вал-втулка».
    Невыполнение этих ключевых требований приводит к необходимости выполнения дополнительных операций по восстановлению посадочных мест, но это является причиной повышения трудовых и материальных затрат на ремонт.
    Основным показателем, характеризующим работу ремонтной службы промышленных предприятий является величина затрат на техническое обслуживание и ремонты, поэтому необходимо применять новые методы и технологии разборки соединений с натягом типа «вал-втулка».
    Для выбора наиболее рационального инструмента для разборки соединений с натягом типа «вал-втулка» в зависимости от способа установки втулки на валу можно использовать следующую таблицу (на примере распрессовки подшипников качения).

    Используемая в таблице 1 классификация подшипников на мелкие, средние и большие была осуществлена условно в зависимости от внутреннего диаметра d:
- мелкие d <= 70мм,
- средние d = 70 – 200 мм,
- большие d > 200 мм [1, стр. 53-55].
    Вышеизложенное является наиболее систематизированной информацией об использовании съёмников и других инструментов для распрессовки соединений типа «вал-втулка».
    В общем случае гидравлический съёмник состоит из двух элементов:
1) узел захвата, предназначенный для охвата снимаемой втулки и позволяющий изменять диаметр охвата и длину захватов;
2) гидравлический домкрат, создающий силу распрессовки.
    Схема распрессовки подшипника качения при помощи гидравлического съёмника представлена на рисунке 1.

    Анализ различных иллюстраций съёмников, проведенный в основном по интернет–источникам, показал, что существует большое разнообразие конструкций этого инструмента, которые изменяются в зависимости от фирмы-производителя.
    Конкретных методик проектирования съёмников не удалось найти ни на печатных носителях, ни в интернет-источниках (поиск проводился на русском, украинском и английском языках). Поэтому с большой долей вероятности можно сделать вывод, что при создании съёмника в основном руководствуются одним: возможностью реализацией им своей функции – распрессовки соединений типа «вал-втулка»; разнообразие конструкций объясняется различием в достижении других целей, которыми могут быть: простота конструкции, специализация на распрессовке определенных деталей или, наоборот, унификация применения, реализация каких-либо инноваций и др.
    Ознакомиться с различными конструкциями съёмников можно на примере съёмников санкт-петербургского завода «Энерпред» [2].
    Если подвести итог найденной в Интернет информации о съёмниках, можно отметить следующее: фирмы-производители ограничиваются предоставлением тех данных, которые могут быть необходимы для продажи инструмента или последующего сервисного обслуживания, и, что естественно, отсутствует любая информация о методиках его проектирования. В целом в той или иной комбинации на страницах соответствующих сайтов можно найти:
-описание конструкции съёмника;
-его технические характеристики;
-комплектацию;
-правила техники безопасности при эксплуатации;
-отличительные стороны и преимущества и др.
    В Интернете найден один текстовый файл, посвященный моделированию съёмника в программной оболочке Master series с использованием метода конечных элементов. В этой работе проводится исследование возможности моделирования элементов конструкции съёмника с их разбивкой различными конечными элементами и возможность определения сил, действующих на ответственные детали инструмента. О применении этого исследования для оптимизации конструкции деталей или для других подобных целей речи не идет [3].

5. Теоретическая основа расчетов.

    В целом для исследования напряжений, возникающих в деталях съёмника можно использовать следующие общие положения сопротивления материалов.
    В зависимости от конструкции съёмника детали узла захвата испытывают изгибные и сжимающие напряжения, а также срез.
    В частности, сами захваты подвержены чистому прямому изгибу, который характеризуется следующим:
1). На выпуклой стороне волокна растягиваются, а на вогнутой – сжимаются. В этом можно убедиться, если с той и другой стороны балки сделать надрезы; на выпуклой стороне они разойдутся, а на вогнутой – сойдутся.
2). Если на боковой стороне балки нанести прямоугольную сетку, то будет видно, что переход от сжатых волокон к растянутым и наоборот происходит непрерывно и что между ними есть нейтральный слой, то есть волокна, длина которых при изгибе не изменяется (рис.2).

    При плоском изгибе нейтральный слой образует цилиндрическую поверхность, образующие которой лежат в поперечных сечениях и называются нейтральными линиями. Нейтральные линии, так же как и нейтральный слой служат границами между растягивающими и сжимающими напряжениями. На самой нейтральной линии напряжений нет.
    Проекция нейтрального слоя на плоскость изгиба (плоскость симметрии), в случае упругих деформаций, называется упругой линией балки. Упругая линия балки, будучи частью нейтрального слоя длину не меняет.
3). В силу эффекта Пуассона в растянутой зоне поперечные сечения сужаются, а в сжатой – расширяются.
4). Плоские поперечные сечения, нормальные к упругой линии балки до изгиба, остаются плоскими и нормальными к ней после изгиба (гипотеза плоских сечений Я. Бернулли – 1705 г.).
5). Продольные волокна не оказывают давления друг на друга, а испытывают только осевое растяжение или сжатие.
6). Картина деформаций по ширине сечения не изменяется, то есть нормальные напряжения распределены по ширине сечения равномерно.
    Радиус кривизны нейтрального слоя определяется из следующего уравнения:

    где – радиус нейтрального слоя,
          – изгибающий момент, вызывающий изгиб балки вдоль плоскости z,
          модуль Юнга,
          – осевой момент инерции площади сечения.
    Расчетная формула для нормальных напряжений при чистом прямом изгибе призматических балок:

    где – кратчайшее расстояние от точки, в которой определяется напряжение, до нейтральной оси [4].
    На срез работают оси узла захвата. Срез аналогичен сдвигу.
    Сдвигом называется такой вид нагружения бруса, при котором в его поперечных сечениях из шести составляющих главного вектора и главного момента внутренних сил, от нуля отличается только поперечная (перерезывающая) сила. При таком нагружении распределение касательных напряжений по сечению неравномерно, так как внешняя поверхность бруса свободна от осевой нагрузки, но, как показывают исследования, в первом приближении с целью упрощения расчетов заменяется равномерным законом распределения (рис. 3).

     Касательные напряжения при сдвиге (срезе) определяются из уравнения [5]:

    где – перерезывающая сила в поперечном сечении,
           – площадь среза.
    Расчеты на прочность гидроцилиндра подразумевают определение толщины стенки цилиндра, толщины крышек (головок) цилиндра, диаметр штока, диаметр шпилек или болтов для крепления крышек.
    Стенки гидроцилиндра прямолинейного действия, использующегося в конструкции гидросъёмника и предназначенного для развития силы распрессовки, испытывают давление со стороны рабочей жидкости.
     В зависимости от соотношения наружного DН и внутреннего D диаметров цилиндры подразделяют на толстостенные и тонкостенные. Толстостенными называют цилиндры, у которых DН / D > 1,2, а тонкостенными - цилиндры, у которых DН / D 1,2.
    Толщину стенки однослойного толстостенного цилиндра определяют по формуле:

    где - условное давление, равное (1,2…1,3)P,
          - допускаемое напряжение на растяжение, Па,
          - коэффициент поперечной деформации (коэффициент Пуассона).
    Толщину стенки тонкостенного цилиндра определяют по формуле [5]:

6. Заключение.

    Магистерская работа на тему "Разработка конструктивных предложений по снижению металлоемкости гидравлического съемника Q=10т на основе анализа напряженно-деформированного состояния деталей с использованием метода конечных элементов и программы ANSYS" имеет четко выраженную направленность на практическое применение её результатов.
    Обзор информации по теме работы позволяет говорить о том, что съёмники являются распространенным инструментом для демонтажа прессовых соединений типа «вал-втулка», однако о проектировании съёмников информация, по крайней мере, труднодоступна.
    Результаты магистерской работы могут стать основой для создания методики по оптимизации конструкции деталей съёмников.

Перечень ссылок:

1. Седуш С. В. Расчет и конструирование гидравлических инструментов. Донецк, 2004 – 152 с.
2. ЗАО завод «Энерпред»//Съёмники - http://www.thetools.ru/semniki.htm
3. Department of Mechanical, Materials and Aerospace Engineering // Final project: pulley puller. - http://www-mae.engr.ucf.edu/eml4535/samplefinal.pdf
4. Агамиров Левон Владимирович // Нормальные напряжения при чистом прямом изгибе (Навье, 1826 г.) - http://www.mysopromat.ru/cgi-bin/index.cgi?n=113
5. Агамиров Левон Владимирович // Определение внутренних сил, напряжений и деформаций при сдвиге - http://www.mysopromat.ru/cgi-bin/index.cgi?n=77
6. А.А. Кононов, Д.Ю. Кобзов, Ю.Н. Кулаков, С.М. Ермашонок//Гидроцилиндры - http://gidravl.narod.ru/gidrocil.html#14

    Данный автореферат не является окончательным, так как магистерская работа находится на стадии разработки и будет готова к ноябрю 2006 г. С её материалами можно ознакомиться у автора.