15 апреля 2017г.
С динамическим нагружением винтовых цилиндрических пружин сжатия часто приходится сталкиваться при проектировании новых и анализе работы существующих механизмов. Наибольшие проблемы при этом возникают в случае возможного соударения витков пружины при эксплуатации, особенно если к быстодействию, долговечности и надежности механизма предъявляются повышенные требования.
Справочная литература [1] дает противоположные рекомендации по проектированию упругих элементов при наличии и отсутствии соударения витков. Так при отсутствии соударения лучшую выносливость имеют пружины с низким значением максимальных касательных напряжений t3 . При t3 повышается выносливость, а остаточные деформации и интенсивном соударении витков с ростом осадка в процессе работы уменьшаются.
Внести ясность в вопросы проектирования пружинных механизмов при динамическом нагружении с инерционным соударением витков позволяет обобщенная теория цилиндрических пружин, которая была разработана профессором Д.Ф. Полищуком [3]. Она основана на единстве подхода к решению задачи с позиций теорий колебаний, устойчивости, статики и удара.
Положения обобщенной теории цилиндрических пружин подтверждаются экспериментально и позволяют объяснить большое количество эффектов, возникающих при эксплуатации пружин в условиях как статического, так и динамического нагружения.
Анализ опыта работы предприятий, конструкторских бюро, научно-исследовательских институтов и лабораторий позволил сформулировать ряд рекомендаций по проектированию, изготовлению и эксплуатации пружин и пружинных механизмов.
• Применение пружин, не теряющих продольную устойчивость при сжатии предпочтительно, так как они имеют меньшую неравномерность напряженного состояния по длине. Если установка устойчивой пружины невозможна, то длинную неустойчивую пружину следует заменить несколькими устойчивыми с промежуточными шайбами или формировать при навивке дополнительные опорные поверхности, назначение которых аналогично назначению шайб.
• Угол подъема винтовой линии у пружин, работающих без соударения витков, не должен превышать 6º…10º. Его увеличение у пружин, работающих с соударением витков, до 12º…15º, позволяет размыть фронт волны деформации, что компенсирует рост неравномерности напряженного состояния по длине пружины. Дальнейшее увеличение этого угла приводит к значительной осадке при эксплуатации изделия.
• При проектировании пружинного механизма должен быть проведен анализ перераспределения энергии в процессе его работы, т.е. определены величина рационального предварительного поджатия пружины, место установки ограничителя движения груза и допустимая степень соударения витков. Это позволит спроектировать изделие оптимально, а не компенсировать в дальнейшем изменением размеров пружины неудовлетворительную конструкторскую проработку всего узла [2].
• Отсутствие учета влияния допусков на размеры отдельных деталей пружинного механизма может привести к изменению схемы нагружения, и гашение энергии подвижных частей будет происходить за счет соударения витков, а не на буферном узле.
• При возникновении трудностей технологического плана с изготовлением отдельных деталей механизма необходимо также учитывать, что схема нагружения может измениться. Например, установка вместо одной длинной пружины двух коротких с промежуточным грузом между ними может привести к осадке той пружины, которая гасит энергию этого груза.
• В сложных механизмов с несколькими подвижными грузами и несколькими упругими элементами сокращение числа внутренних ударов за счет снижения жесткости пружины позволяет уменьшить время срабатывания механизма и увеличить долговечность отдельных его деталей.
• Для гашения вибрационных напряжений при многократном ударе можно использовать и подбор рационального темпа нагружения, и соударение витков.
• Критические скорости нагружения должны быть определены не только исходя из марки материала пружины и отсутствия соударения витков, но и с позиций прочности и недопущения как местной, так и общей потери устойчивости при соударении витков с учетом конструктивной схемы механизма [4]. В справочной литературе [1] рекомендуется определять критическую скорость исходя из условия отсутствия соударения витков. Причем полученная величина не дает исчерпывающей информации о наличии соударения витков: если скорость нагружения меньше vкр , то отсутствие соударения гарантировано, а если скорость выше vкр , то с уверенностью сказать о наличии соударения витков невозможно. Кроме того, в ряде случаев соударения витков не стоит избегать, так как оно положительно влияет на работу всего механизма.
Расчеты, выполненные в соответствии с обобщенной теорией цилиндрических пружин [4] показывают, что величина критической скорости в справочной литературе дает явно заниженное значение.
• Корректный расчет упругих элементов значительно снижает процент брака при их изготовлении. Например, зависимость между силовыми параметрами пружины и ее деформацией линейная, что необходимо учитывать при назначении допусков на эти величины.
• Изготовление пружин с непараллельными торцами позволяет соблюсти условие равнопрочности по их длине.
• Изготовление пружин с уменьшенной величиной опорного витка, приводит к снижению числа поломок этого наиболее ослабленного элемента пружины.
• Необходимость в операции шлифования опорных торцев у пружин, работающих на оправке, отсутствует, т.к. за сохранение геометрической оси пружины отвечает оправка, а не опорные витки.
• Введение операции контроля высоты пружины сжатой до соприкосновения витков, при малом гарантированном межвитковом зазоре (незначительное перемещение на участке повышает надежность механизмов, в которых они установлены.
• Применение прогрессивных методов заневоливания:t2 …t3 )
а) заневоливание опорных витков достигается сжатием пружины двумя пластинами с установкой по центру шариков:
б) заневоливание в трубе препятствует увеличению наружного диаметра пружины и стабилизирует ее параметры;
в) установка промежуточных шайб при одновременном заневоливании нескольких пружин на одной направляющей уменьшает эффект неравномерности напряжений по длине пружины в ходе технологического процесса («синусоидальное» заневоливание);
г) кинематическое заневоливание, заключающееся в многократном сжатии пружины до высоты близкой к высоте пружины сжатой до соприкосновения витков, сокращает время технологической операции и повышает стабильность силовых характеристик пружин;
д) применение ударного заневоливания с верно определенными критическими скоростями и усилиями снижает эффект «синусоидального» заневоливания и сокращает время операции;
е) предварительное заневоливание путем 3…5 кратного сжатия до соприкосновения витков длинных неустойчивых пружин, работающих при динамическом нагружении, перед операцией контроля силовых параметров (окончательное заневоливание произойдет за несколько рабочих циклов при эксплуатации изделия).
• Поворот пружины на 180º при разборке и сборке, при этом зоны максимальных касательных напряжений будут смещаться за счет различия на концах пружины динамического искажения винтовой линии.
В статье приведены результаты полученные сотрудниками ИжГТУ имени М.Т. Калашникова в различные годы, не касающиеся применения технологических процессов обработки пружинной проволоки и пружин с переменной геометрией сечения витка.
Список литературы
1. ГОСТ 13764-86. Пружины винтовые цилиндрические растяжения и сжатия из стали круглого сечения. – Взамен ГОСТ 13764-68; Введ. 19.12. 1986. – М.: Стандартинформ, 2007. – 7 с.
2. Девятериков, С.А. Прикладные теории удара /С.А. Девятериков, Д.Ф. Полищук. – Ижевск: Издательствово ИжГТУ, 2001. – 52 с.
3. Полищук, Д.Ф. Обобщенная теория цилиндрических пружин / Д.Ф. Полищук. – Ижевск: Изд-во Удмуртского государственного университета, 1992. – 216 с.
4. Полищук, Д.Ф. Прикладные теории удара. Удар в пружинных механизмах /Д.Ф. Полищук, С.А. Девятериков. – Москва-Ижевск: Институт компьютерных исследований; НИЦ «Регулярная и хаотическая механика», 2006. – 124 с.
