Научный журнал
Современные наукоемкие технологии
ISSN 1812-7320
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,909

ИССЛЕДОВАНИЕ НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ В СЕЧЕНИЯХ ВИТКА ВИНТОВОГО МЕХАНИЗМА

Лодыгина Н.Д. Шарапов Р.В.
Проведено теоретическое и экспериментальное исследование витка винтового механизма. В результате исследований выявлено, что наибольший вклад в разность главных напряжений вносят контактные напряжения, что подтверждено экспериментом.

В настоящее время при исследовании напряжений и деформаций широкое распространение получили методы, основанные на использовании различных оптических явлений. В данном исследовании применяется поляризационно-оптический метод, так как он отличается наглядностью, позволяет весьма полно исследовать напряженное состояние в деталях сложной конфигурации.

Экспериментальное исследование напряжений при помощи поляризационно-оптического метода [2] проводили на моделях, изготовленных из прозрачного, изотропного материала - эпоксидной смолы ЭД-6М.

Модели придали такую же форму, что и изучаемая деталь, и загружали ее нагрузками, расположенными подобно действующим на деталь. При этом на модели наблюдали оптический эффект, сопутствую­щий деформациям материала модели и непосредственно с ними связанный. Наблюдения за оптическим эффектом позволяют судить о напряжениях, действующих в отдельных точках исследуемой прозрачной модели.

Результаты исследования напряженного состояния, полученные оптическим методом, с достаточной для практики точностью могут быть распространены на детали, изготовленные из любого изотропного материала (сталь, алюминий, чугун и т.п.). Это следует из того, что, если напряженное состояние той или иной детали является плоским, то для изотропного материала распределение напряжений в большинстве случаев не зависит от упругих постоянных E и μ. Лишь при объем­ном напряженном состоянии и для некоторых особых случаев плоского напряженного состояния на распределение напряжений влияет коэффициент Пуассона, однако это влияние сравнительно невелико и практически им можно пренебречь.

При нагружении модели на экране появляется ее изображение, покрытое системой интерференционных полос, по характеру которой можно судить о распределении напряжений в детали. После соответствующей обработки картины полос определяется разность главных напряжений (σ1 - σ3).

После получения поля изохром определяли порядок изохроматических полос.

Для определения порядка полос пользовались медленным нагружением модели. Чтобы повысить точность измерений, нагружение осуществлялось ступенями с фиксацией порядка полос т и нагрузки на каждой ступени F.

Для количественной оценки напряженно-деформированного состояния модели определяли цену полосы материала, из которого она изготовлена.

Напряженное состояние исследовали на специальной установке ППУ-5 (проекционно-поляризационная установка). В этой установке обеспечена возможность вращения плоскостей поляризации, что особенно удобно для фиксирования изоклин. При помощи фотокамеры сфотографированы картины полос, изохромы исследуемой модели. При убранной фотокамере увеличенное изображение модели наблюдали на экране.

Исследование напряжений в сечениях витка проводилось с по­мощью разработанного специального приспособления, имити­рующего сопряжение рабочих поверхностей винтового механизма. Приспособление состоит из сборного винта (шеек), между которыми закреплен образец. Образец представляет собой виток резьбы - диаметром d, углом профиля α и шагом P. Рабочее соприкосновение винтовой поверхности имитируется сопряжением образца с роликом, неподвижно закрепленным в крышках, имеющих возможность осевого перемещения относительно шеек винта. Используемое приспособление закреплялось на столе установки ППУ-5 с помощью толстостенной трубы.

Осевое нагружение на образец осуществлялось роликом через втулку, а крутящий момент имитировался нагрузкой через ролик на некотором расстоянии от его оси и перпендикулярно ей с помощью пружины и груза, перекинутого через блок.

Испытанию подвергались шесть моделей имитирующих виток ходового винта, изготовленных из эпоксидной смолы ЭД-6М. Диапазон нагрузок брался в интервале от 50 до 250 Н при ступенчатом нагружении через 50 Н. Зная порядок полосы и оптическую постоянную для каждой точки модели определяли разность главных напряжений.

При теоретическом расчете развернутый на плоскость виток детали винтового механизма рассчитывается с использованием расчётной модели консольной балки переменного сечения [4]. Виток в процессе эксплуатации испытывает деформации изгиба, растяжения (сжатия), среза и кручение. Напряженное состояние в любой точке модели считается плоским, так как одна грань выделенного элемента свободна от нагрузок и толщина модели витка мала [3].

Результаты эксперимента и теоретические значения разности главных напряжений (σ1 - σ3) приведены в таблице, в которой задаются следующие значения:

  1. действующая нагрузка Fa, Н;
  2. угол при вершине витка α, град.;
  3. глубина z (расстояние от точки приложения силы Fa до точки, в которой определяется разность главных напряжений (σ1 - σ3) в перпендикулярном направлении к поверхности витка);
  4. номер полосы m определяется по картине изохром.

Результаты экспериментальных исследований

 

№ п/п

Осевая нагрузка Fa, Н

Угол при вершине витка α, град.

Глубина Z1, мм

Номер полосы M

Экспериментальные значения (σ1 - σ3)3

Теоретические значения (σ1 - σ3)T

изгибательные напряжения

контактные напряжения

суммарные значения
напряжений

МПа

МПа

 %

МПа

 %

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

1

50

60°

3,0

1

2,038

0,096

1,906

6,52

1,914

6,119

2

2,0

2

4,077

0,101

2,843

30,262

2,852

30,039

3

1,333

3

6,115

0,105

4,802

21,48

4,811

21,34

4

0,833

4

8,154

0,107

7,406

9,18

7,413

9,0

5

100

60°

5,833

1

2,038

0,167

2,244

10,05

2,243

-10,07

6

3,5

2

4,077

0,108

3,723

8,69

3,737

8,34

7

3,5

3

6,115

0,193

4,132

29,17

4,348

28,9

8

2

4

8,154

0,203

6,42

21,265

6,438

21,04

9

1,167

5

10,192

0,211

10,567

-3,675

10,583

-3,896

10

1,0

6

12,231

0,213

12,066

1,343

12,082

1,215

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

11

150

60°

9,33

1

2,038

0,233

2,106

3,304

2,067

-1,385

12

5,0

2

4,077

0,261

3,916

3,95

3,924

3,7

13

 

 

3,33

3

6,115

0,284

5,836

4,57

5,858

4,2

14

 

 

2,83

4

8,154

0,29

6,835

16,178

6,86

15,868

15

1,667

5

10,192

0,309

11,275

10,625

11,302

10,889

16

1,167

6

12,231

0,317

15,389

-25,821

15,414

-26,0

17

0,833

7

14,269

0,321

19,9

-39,4

19,92

-39,6

18

200

60°

4,167

4

2,038

0,167

2,244

23,52

6,257

23,36

19

3,167

5

8,154

0,362

6,236

20,1

8,176

19,78

20

2,5

6

10,192

0,382

8,145

16,52

10,246

16,23

21

1,833

7

12,231

0,396

10,21

4,66

13,641

4,4

22

1,5

8

14,269

0,409

13,604

0,46

16,268

0,24

23

1,167

9

16,308

0,416

16,233

-8,7

19,97

-8,87

24

250

60°

5,33

4

18,346

0,422

19,94

25,14

6,112

25,0

25

4,167

5

8,154

0,427

6,104

23,72

7,8

23,45

26

3,667

6

10,192

0,453

7,775

28,026

8,837

27,75

27

3,167

7

12,231

0,465

8,803

28,96

10,177

28,68

28

2,5

8

14,27

0,478

10,137

22,267

12,721

21,996

29

2,0

9

16,308

0,495

12,676

15,242

15,595

14,994

30

1,5

10

18,346

0,507

15,57

2,209

19,978

1,99

31

1,333

11

20,385

0,62

19,93

2,258

21,96

2,067

32

50

90°

3,167

1

 

 

 

17,285

1,686

17,282

33

1,667

2

17,282

2,038

1,686

22,167

3,173

22,166

34

1,0

3

22,166

4,077

3,173

15,429

5,172

15,429

35

0,5

4

15,429

6,115

5,172

15,047

9,381

15,048

36

100

90°

3,0

2

15,048

8,154

9,381

13,094

3,543

13,091

37

100

90°

2,0

3

13,091

4,077

3,543

13,940

5,263

13,938

38

1,167

4

13,938

6,115

5,263

6,999

8,724

6,994

39

1,0

5

6,994

8,154

8,724

1,895

9,999

1,895

40

0,667

6

1,895

10,192

9,999

13,311

13,859

13,311

41

150

90°

2,5

4

13,311

12,231

13,859

22,497

6,32

22,495

42

2,0

5

22,495

8,154

6,32

23,225

7,825

23,223

43

1,167

6

23,223

10,192

7,825

4,401

12,769

4,402

44

1,0

7

4,402

12,231

12,769

1,749

14,519

1,749

45

200

90°

2,5

5

1,749

14,269

0,293

17,791

8,379

17,788

46

2,0

6

17,788

10,192

8,379

15,436

10,343

15,434

47

1,333

7

15,434

12,231

10,343

4,247

14,875

4,248

48

1,0

8

4,248

14,269

14,875

15,047

18,762

15,048

49

0,833

9

15,048

16,308

18,762

16,463

21,366

16,463

50

250

90°

3,5

5

10,192

0,376

7,542

25,996

7,543

25,994

51

2,333

6

12,231

0,423

11,113

9,139

11,113

9,137

52

2,167

7

14,269

0,43

11,907

16,556

11,908

16,554

53

2,0

8

16,308

0,438

12,818

21,4

12,818

21,398

54

1,5

9

18,346

0,462

16,563

9,828

16,563

9,827

55

1,167

10

20,385

0,479

20,306

0,389

20,306

0,388

56

1,0

11

22,423

0,488

22,756

1,486

22,756

1,486

57

0,833

12

24,461

0,497

25,648

4,852

25,648

4,852

По результатам эксперимента, построены зависимости разности главных напряжений (σ1 - σ3) от глубины z1. Средняя величина расхождения между экспериментальными и теоретическими значениями составляет 13 %. В результате эксперимента также установлено, что в рассмотренных условиях наибольший вклад в разность напряжений (σ1 - σ3) вносят контактные напряжения (см. таблицу), что не противоречит расчету по теоретическим формулам.

Список литературы

  1. Бушенин Д.В. Несоосные винтовые механизмы. ‒ М.: Машиностроение, 1985. - 112 с.
  2. Лабораторный практикум по сопротивлению материалов деформированию / И.М. Грязнов и др. ‒ М.: МГУ, 1961. ‒ 197 с.
  3. Лодыгина Н.Д., Зелинский В.В., Кура- сов Е.В. Напряженное состояние ходового винта при неравномерном распределении нагрузки в РВП // Успехи современного естествознания. 2007. - № 2. - С. 52‒52.
  4. Шарапов Р.В., Лодыгина Н.Д. Расчет напряжений деталей несоосного винтового механизма // Фундаментальные исследования. - 2009. - № 5. - С. 70‒71.

Библиографическая ссылка

Лодыгина Н.Д., Шарапов Р.В. ИССЛЕДОВАНИЕ НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ В СЕЧЕНИЯХ ВИТКА ВИНТОВОГО МЕХАНИЗМА // Современные наукоемкие технологии. – 2011. – № 5. – С. 33-36;
URL: http://www.top-technologies.ru/ru/article/view?id=28809 (дата обращения: 18.01.2020).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074