ПРОБЛЕМЫ МАШИНОСТРОЕНИЯ И НАДЕЖНОСТИ МАШИН
< 5, 2004
УДК 621.825
© 2004 г. Махутов H.A., Щеглов Б.А., Евдокимов А.П.
ДЕФОРМАЦИЯ КРУЧЕНИЯ ТОРООБРАЗНОЙ РЕЗИНОКОРДНОЙ ОБОЛОЧКИ И СТАТИЧЕСКОЕ НАГРУЖЕНИЕ ЖЕСТКОГО И УПРУГОГО
КАРДАННОГО ПРИВОДА
Приводится расчет деформации кручения торообразной резинокордной оболочки. Представлены результаты сравнительных экспериментальных исследований демпфирующей способности жесткого карданного привода и карданного привода с резинокордной оболочкой в режиме статического нагружения крутящим моментом.
В настоящее время упругие муфты с торообразными резинокордными оболочками широко применяются в силовых и вспомогательных приводах подвижного состава железных дорог: тепловозы, электровозы, путевые машины, дизель-поезда [1, 2]. Существующий комплекс линейных размеров резинокордных оболочек с соответствующей крутильной жесткостью позволяет использовать такие муфты, как соединительные устройства механизмов силовых и вспомогательных приводов мощностью от 15 до 770 кВт. В результате удалось в значительной степени снизить уровень крутильных колебаний в элементах привода и компенсировать смещения осей валов соединяемых механизмов.
Резинокордная оболочка является многослойным конструкционным элементом [2, 3], которая состоит из резинокордного каркаса 1, имеющего в бортовой части металлическое кольцо 2, протектора 3 и внутреннего защитного слоя 4 (рис. 1). Каркас является несущей частью конструкции элемента, воспринимающей основную нагрузку при передаче крутящего момента, и состоит из перекрещивающихся слоев капронового корда, пропитанного и обрезиненного резиной на основе синтетического каучука. Кордные нити каркаса уложены под углом закроя 45°. Края кордных слоев завернуты вокруг крыльев, что обеспечивает надежное крепление в бортовых частях оболочки. Борт резинокордной оболочки обеспечивает передачу крутящего момента силами трения в местах контактирования оболочки с металлическими полумуфтами 5 и разрезными кольцами 6. Силы трения противодействуют центробежным силам, действующим на резинокордный элемент при вращении муфты, радиальным изгибающим моментам при радиальных и угловых смещениях осей валов.
Бортовое крыло (рис. 1) состоит из металлического кольца, собранного из единичной проволоки диаметром 1 мм, наполнительного шнура 7 и крыльевой ленты 8. Применение кольца из металлической проволоки способствует увеличению жесткости борта и обеспечивает более надежное крепление концов кордных слоев в бортовых частях.
Протектор защищает снаружи кордный каркас от механических повреждений и, благодаря сплошности, способствует увеличению крутильной жесткости и предела устойчивости оболочек при передаче крутящего момента. Протектор представляет собой профилированный слой резины, имеющий толщину по короне 9-12 мм. Изнутри кордный каркас защищен от механических повреждений слоем резины толщиной 1,5-2 мм.
Рис. 1
Рис. 2
Под действием крутящего момента резиновый элемент оболочки закручивается на угол фрез [2] и определяется согласно расчетной схеме (рис. 2) фрез =
01
= [Mí;3 /(2n8Gr2)]/1 = Mil3 /(GD3Kc), где I1 = J[d6 /(R/r + sin 0)3]; 8 - толщина оболоч-
60
ки; G - модуль упругости; R - радиус круговой оси тора; r - радиус образующей окружности тора; 6 - угол, характеризующий положение расчетного сечения оболочки (рис. 2); D - наружный диаметр оболочки; Kc = пв(а - P)2/2I2 - безразмерный ко-
6i
эффициент; I2 = J [d6/(R/r + sin 0)2]; в = 8/D - безразмерный коэффициент; а = B/D -60
безразмерный коэффициент; B - ширина оболочки. После интегрирования получим
MÍl = Kc ф. (1)
Используя геометрическое подобие оболочек, выражение (1) можно заменить эмпирической формулой
ИЦ3 = CmGD 8ф/(п -26),
(2)
где Cm = f(r/R, 6) - коэффициент, определяемый из сопоставления формул (1) и (2). Закручивание оболочек с учетом корда фкорд = CNN/(Rr sin 6), где N - сила, действу-
n [ r (1 - ц ) + R (1 - 2 ц) ] cos 6 lk
ющая на нить корда; CN =
2 п E 8
R cos 6 + 4 (п -2 6 + sin2 6)
sin ß *
EkFksin ß *
без-
размерный коэффициент; ц - коэффициент Пуассона; п - число нитей корда; р* -угол наклона нитей корда к меридиану; 1к - длина нитей корда.
< п/п Наименование показателей Значения показателей
1 Напряжение при удлинении, МПа 5,9
2 Прочность при растяжении, МПа 11,8
3 Относительное удлинение при разрыве, % 450
4 Твердость по Шору, усл. ед. 50-65
5 Прочность связи при расслоении между
элементами оболочки:
- протектор-каркас, кН/м 6,8
- между слоями каркаса, кН/м 5,8
6 Осевая статическая жесткость, кгс/мм 10,3
7 Крутильная статическая жесткость, кгс •м/рад 1590
8 Радиальная статическая жесткость, кгс/мм 32,0
Крутящий момент, передаваемый кордом
М^рд = nN(R + r sin 9) sin в * = Ктф, (3)
где Km = (R + r sin 9)2 sin P*/CN - безразмерный коэффициент.
Подставив (1) и (2) в (3) получим выражение крутящего момента, передаваемого упругим элементом (резиной и кордом) Мкр = (Kc + Кт)ф.
Опыт эксплуатации приводов показывает, что резинокордные оболочки являются одним из слабых звеньев с позиции долговечности, испытывая импульсные, знакопеременные, высокочастотные периодические и непериодические нагрузки.
Дестабилизирующие процессы оболочек обусловлены следующими факторами и предельными состояниями [4, 5]: 1) появление на поверхности оболочек усталостной трещины; 2) достижение температурой диссипативного разогрева критического уровня; 3) потеря конструкцией несущей способности вследствие: а) пластического течения при чрезмерных напряжениях; б) уменьшения жесткости при недовулканизации изделия, воздействии высоких температур, масел, кислот, щелочей и т.д.; в) отслаивание резинового элемента от корда; г) роста усталостных трещин в резиновом массиве; д) появление больших остаточных деформаций от механического воздействия; 4) достижение усталостными трещинами критических размеров для данной конструкции; 5) изменение жесткости конструкции в результате старения материала.
Для полимерных материалов процесс разрушения можно условно разделить на три фазы [5]: в первой фазе происходит деформация материала под действием внутренних напряжений; вторая характеризуется разрывом макромолекул полимера; в третьей происходит зарождение, накопление, развитие микротрещин и их слияние, приводящее в конечном итоге к макроразрушению детали.
Дефекты на торообразных резинокордных оболочках проявляются в виде трещин на торцевых частях на расстоянии 10-20 мм от полуфланцев муфты и длиной 20-25 мм и более по окружности. Имеются также сквозные трещины длиной 30-50 мм. На короне резинокордной оболочки наблюдаются дефекты конусообразной формы глубиной 6-8 мм и длиной 15-20 мм, расположенные на расстоянии 20-25 мм друг от друга.
Одним из основных показателей несущей способности торообразной резинокордной оболочки является ее демпфирующая способность, которая определяется в процессе статических испытаний. Были проведены сравнительные экспериментальные исследования демпфирующей способности серийно изготовленного и опытного карданных приводов. Последний отличался наличием в его конструкции упругой муфты с резинокордной оболочкой ЭМ360 х 100. Физико-механические показатели оболочки, используемой в опытном карданном приводе, приведены в таблице.
Исследованиями предусматривалось оп- м, кН м ределение статической деформации кручения жесткого карданного привода и рези-нокордной оболочки, расположенной на опытном карданном приводе. Исследования проводили с использованием балочного прогибомера. Нагружение осуществляли статическим крутящим моментом до
скорости 3 • 10-4 рад/с. Этот вид испытаний позволил определить демпфирующую способность испытуемых узлов, которую оценивали коэффициентом поглощения энергии у, равным отношению потерянной за цикл энергии у к наибольшему значению потенциальной энергии П оболочки [6]
т
¥
¥/П, где ¥
J b2 ф2 (t)dt
0,01 0,02 0,03 0,04
Рис. 3
ф, рад
2 Г 2 2 2
Ь2(фю) I sin ю tdt = пф юЬ2, П = сф /2, T = 2п/ю - период демпфирования; b2 - кон-
станта; с = tg а - угол наклона петли гистерезиса, который характеризует жесткость оболочки. В результате вычислений получены следующие данные коэффициентов поглощения: у1 = 0,47 и у2 = 0,18 для опытного и серийного карданных приводов соответственно.
При нагружении опытного карданного привода статическим крутящим моментом М^р = 2,58 кН • м деформация кручения составила ф = 0,64 рад. На серийном карданном приводе получено М^ = 2,56 кН • м при ф = 0,35 рад. Из рис. 3 видно, что площадь петли гистерезиса опытного карданного привода (кривая 1) значительно больше серийного (кривая 2). Поэтому демпфирующая способность опытного карданного привода выше серийного.
Данные по сопротивлению статическим деформациям при однократном нагружении указывают на существенную нелинейность интегральных характеристик, определяющих связь между крутящими моментами и угловыми перемещениями. Эти усилия и перемещения порождают радиальные и осевые смещения, а их общая комбинация определяет зоны накопления повреждений и разрушений. Реальные условия нагруже-ния торообразных резинокордных оболочек требуют перехода к анализу не только циклических, но и термоциклических процессов деформирования и разрушения.
0
T
0
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Михайлов Ю.К., Иванов Б.С. Муфты с неметаллическими упругими элементами. Л.: Машиностроение, 1987. 145 с.
2. Поляков B.C., Барбаш И.Д. Муфты. М.-Л.: Машиностроение, 1973. 336 с.
3. Поляков B.C., Барбаш И.Д., Ряховский O.A. Справочник по муфтам. Л.: Машиностроение, 1979. 343 с.
4. Патураев В Н. Резиновые и резино-металлические детали машин. М.: Машиностроение, 1966. 297 с.
5. Потураев В Н., Дырда В.И., Круш И.И. Прикладная механика резины. Киев: Наукова думка, 1980. 260 с.
6. Вибрации в технике: Справочник. Т. 6 / Под ред. К.В. Фролова. М.: Машиностроение, 1981. 456 с.
Москва Поступила в редакцию 21.I.2004
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.