Теоретические основы математического моделирования гидропрессовой сборки соединений с натягом

Гидропрессовые методы сборки и разборки соединений с натягом получили широкое применение в машиностроении благодаря существенным преимуществам, а именно: возможности автоматизации, регулирования натяга (в конических соединениях), небольших энергозатрат, быстроты сборочного процесса, отсутствия повреждений сопрягаемых поверхностей, следовательно, высокой ремонтопригодности и возможности многократного монтажа и демонтажа соединений.

Формирование и расформирование соединений с натягом гидропрессовым методом осуществляется при незначительных силах запрессовки-рас-прессовки, вследствие наличия между сопрягаемыми деталями масляной прослойки под высоким давлением (до 200 МПа). Физическая сущность метода состоит в том, что взаимное перемещение сопрягаемых поверхностей деталей соединения происходит в условиях полужидкостного и жидкостного трения. В результате чего уменьшается коэффициент трения и сила запрессовки.

Проблемы технологии прессовых соединений отражены в работах отечественных ученых Б. Ф. Федорова, Г. Я. Андреева, И. В. Абрамова, Е.И. Бер-никера, М. Д. Виноградовой, И. С. Гречищева, A.A. Ильяшенко, B.C. Клеков-кина, И. Ф. Малицкого, P.P. Мейстера, A.B. Щенятского, Ф. Ф. Фаттиева и зарубежных Кардса Д., Роота Г., Вюртца Г. и др.

Анализ технологических процессов создания гидропрессовых (ГП) соединений показал, что существуют различные схемы сборки и способы подвода масла в зону контакта. Геометрия, напряженно-деформированное состояние (НДС) и переменная жесткость деталей по длине соединения влияют на эффективность и направление распространения масла под высоким давлением между сопрягаемыми поверхностями. Расчет деформаций и напряжений охватывающей и охватываемой деталей, определяющих требуемые величины сил и давлений в техпроцессах будет неточным без учета масляной прослойки и технологических параметров.

Применение моделирования в других областях науки и техники свидетельствует, что новые средства и методы их использования обладают широкой универсальностью и большими потенциальными возможностями.

Математическая модель гидропрессовой сборки, основанная на современных положениях гидродинамической теории неуплотненного поршня и механики деформируемого твердого тела, позволит значительно расширить представления о взаимодействии контактирующих поверхностей, взаимном влиянии формы и размеров деталей и масляной прослойки на НДС и величину технологических параметров.

Разработка инженерных методик с соответствующим математическим и программным обеспечением и их реализация позволят существенно сократить трудоемкость и время разработки конструкторско-технологической документации соединений деталей, исключить опытные образцы, что, несомненно, способствует научно-техническому прогрессу в машиностроении.

Целью диссертационной работы является повышение эффективности технологии гидропрессовой сборки соединений с натягом на основе ее численного моделирования.

Для достижения поставленной цели в диссертации были решены следующие задачи:

1. Разработана математическая модель (ММ) процесса гидропрессовой сборки-разборки на основе метода конечных элементов (МКЭ), позволяющая на стадии проектирования определять технологические параметры: давление масла, силы запрессовки-распрессовки, уровень НДС сопрягаемых деталей для различных схем сборки, учитывающая механизм распространения масла в зоне контакта.

2. Проведена экспериментальная проверка параметров гидропрессовой сборки (ГПС) и НДС деталей.

3. Выявлена взаимосвязь между конструктивными и технологическими параметрами соединений и технологическими параметрами ГПС.

4. Разработаны методические рекомендации повышения эффективности гидропрессовой сборки-разборки соединений с натягом.

На защиту выносятся следующие результаты исследования:

1. Математическая модель гидропрессовой сборки соединений с натягом.

2. Закономерности изменения формы (толщины) масляной прослойки по длине соединения.

3. Закономерности распространения масляной прослойки по длине соединения в зависимости от конструктивной формы сопрягаемых деталей, вязкости масла и месторасположения канавок.

4. Результаты экспериментальной проверки, подтверждающие адекватность математической модели.

5. Практические рекомендации применения математической модели и алгоритма поиска месторасположения маслораспределительных канавок.

В разделе «Численное моделирование гидропрессовой сборки» выявлены особенности объекта моделирования, анализ которого позволяет предположить взаимное влияние геометрии сопрягаемых деталей, физико-механических свойств материалов, их НДС и величин технологических параметров. Переменная жесткость деталей по длине соединения не позволяет достичь требуемой точности расчетов НДС классическими методами. Современные методы математического моделирования обеспечивают возможность рассмотрения технологических процессов, как контактных задач с переменными граничными условиями (по геометрическим и физическим признакам), обусловленными физикой взаимодействия сопрягаемых поверхностей и жидкостных прослоек. Разработана математическая модель ГПС с гидростатиче7 ским способом создания давления масла. Проведен вычислительный эксперимент для различных технологических схем ГПС и способов создания масляной прослойки.

В третьем разделе диссертации «Экспериментальная проверка адекватности разработанных моделей» двумя сериями эксперимента осуществлена проверка положений, выдвинутых в ходе теоретического исследования технологических процессов сборки-разборки гидропрессовых соединений, и разработанной обобщенной математической модели различных схем формирования соединений с натягом.

В четвертом разделе «Практическая реализация результатов исследования» показана возможность применения результатов теоретического и экспериментального исследований в процессах сборки и эксплуатационном обслуживании узлов машин в промышленных условиях. Объектом внедрения были выбраны узлы бумагои картоноделательных машин.

Теоретическое и экспериментальное исследования представляемой диссертационной работы выполнены на кафедре «Основы машиноведения и робототехника» Ижевского государственного технического университета.