научная статья по теме О РОСТЕ ТРЕЩИН ВО ВТУЛКЕ СОСТАВНОГО ЦИЛИНДРА КОНТАКТНОЙ ПАРЫ Машиностроение

Текст научной статьи на тему «О РОСТЕ ТРЕЩИН ВО ВТУЛКЕ СОСТАВНОГО ЦИЛИНДРА КОНТАКТНОЙ ПАРЫ»

ПРОБЛЕМЫ МАШИНОСТРОЕНИЯ И НАДЕЖНОСТИ МАШИН

< 4, 2004

УДК 539.375

© 2004 г. Мирсалимов В.М., Гаджиев Г.Х.

О РОСТЕ ТРЕЩИН ВО ВТУЛКЕ СОСТАВНОГО ЦИЛИНДРА КОНТАКТНОЙ ПАРЫ

Рассматривается задача механики разрушения для составного цилиндра (втулка и подкрепляющий цилиндр) контактной пары. Принято, что при многократном возвратно-поступательном движении плунжера происходит разрушение материала втулки при трении, которое вызвано контактным взаимодействием и сопровождается совместным действием силовой нагрузки и температуры. Рассмотрен расчет для контактной пары применительно к скважинным штанговым насосам.

1. Практика эксплуатации контактных пар втулка-плунжер показывает, что разрушение материала втулки происходит на пятнах фактического касания в тонких приповерхностных слоях путем образования микротрещин. Рассмотрим напряженно-деформированное состояние втулки составного цилиндра в процессе работы контактной пары.

Пусть в упругой втулке, подкрепленной с натягом внешним упругим цилиндром, вблизи поверхности трения имеется N0 прямолинейных трещин длиной lk (k = 1, 2, ..., N0). Режимы работы контактной пары, в которой могут возникнуть остаточные деформации, считаются недопустимыми. В центрах трещин разместим начало локальных систем координат xk0kyk, оси которых 0kxk совпадают с линиями трещин и образуют углы ak с осью 0x. Берега трещин свободны от внешних нагрузок.

Отнесем составной цилиндр контактной пары к полярной системе координат r0, выбрав начало в центре концентрических окружностей L0, L и L1 с радиусами R0, R и R1, соответственно. Будем считать, что внутренний контур втулки близок к круговому. Известно, что реальная поверхность втулки никогда не бывает абсолютно гладкой, а имеет неровности, являющиеся неизбежным следствием процесса технологической обработки. Рассмотрим некоторую произвольную реализацию шероховатой внутренней поверхности втулки составного цилиндра. Выполняются условия плоской деформации.

Представим границу внутреннего контура втулки L0 в виде r = р(0), р = R0 + еН(0), где е - малый параметр, Rmax/R0; Rmax - наибольшая высота неровности внутреннего

профиля втулки; H(0) = ^¡°= 0 (a°kcosk0 + Ь°к sink0).

Краевые условия рассматриваемой задачи механики разрушения имеют следующий вид:

on = -p(0), Tnt = -fp(0) при r = р на площадке контакта, an = 0, (1)

Tnt = 0 при r = р вне площадки контакта;

b . b 0.0 b . b 0.0 n 0.0 „

ar - ixr0 = ar - ixr0, vr - iv0 = vr - iv0 + g(0) при r = R; ar - iTr0 = 0

при r = R1; на берегах трещин an = 0, Tnt = 0.

Втулка наружной поверхности подкреплена с натягом g(0) цилиндрической обоймой. В граничных условиях (1) принято, что в зоне контакта касательное напряже-

ние связано с контактным давлением р(0) по закону Кулона; / - коэффициент трения фрикционной пары; п, Г - натуральные координаты; иг, и0 - соответственно, радиальная и касательная составляющие вектора смещений точек контура Ь. Будем считать, что контактное давление и угол контакта, определяемые из решения контактной задачи о вдавливании плунжера о втулку составного цилиндра, известно [1]. В начальной стадии образования микротрещин их размер гораздо меньше толщины втулки.

Напряжения и перемещения в составном цилиндре ищем в виде разложений по малому параметру е, в которых пренебрегаем, для простоты, членами, содержащими е в степени выше первой. Значения компонент тензора напряжений при г = р(0) найдем, разлагая в ряд выражения для напряжений в окрестности г = Я0.

Используя метод возмущений, приходим к последовательности краевых задач механики разрушения: в нулевом приближении

Ь(0) (0),т Ь( 0) А,(0)/-т г,

ог = -р (0), тг0 = -/р (0) - на площадке контакта при г = Я0;

Ь( 0) „ Ь( 0) „

ог = 0, тг 0 = = 0 - вне площадки контакта;

о0(0) - »тО00) = оЬ(0) - »тТ , и0(0) - и0(0) = иЬ(0) - 0) + *0) при г = Я; (2)

0(0) п 0 (0) „ „ Ь(0) „ Ь(0) „ -

ог = 0, тг0 = 0 при г = Я1; оп = 0, тп = 0 на берегах трещин.

В первом приближении

о^(1) = -р(1)(0) + Ы, х^01)1 = -/р(1)(0) + Т на площадке контакта при г = Я0;

Ь( 1) ЛГ Ь( 1) гг,

ог = Ы, тг0 = Т вне площадки контакта;

о0(1) - »Т001) = оЬ(1) - »тЬ01), и0(1) - и0(1) = иЬ( 1) - и1) при г = Я; (3)

0(1) П 0 (1) п п Ь(1) п Ь(1) п -

о/ = 0, тг0 = 0 при г = Я1; оп = 0, тп) = 0 - на берегах трещин.

д Ь(0) д Ь(0)

Здесь N = -Ж0) + 2т« ± ; Т = (о0(0) - о«0)) ± ™ - Щ.) **.

Согласно теории квазихрупкого разрушения Ирвина-Орована [2] параметром, характеризующим напряженное состояние в окрестности трещины, является коэффициент интенсивности напряжений. Следовательно, ответственным за рост трещины в материале втулки составного цилиндра контактной пары можно считать значения коэффициентов интенсивности напряжений в окрестности вершины трещины.

Для прогнозирования развития трещин в составном цилиндре контактной пары нужно определить коэффициенты интенсивности напряжений в окрестности концов трещин во втулке. Для этого надо решить краевые задачи (2), (3) единообразным способом.

Перейдем к построению решения задачи в нулевом приближении. Краевые условия (2) с помощью формул Колосова-Мусхелишвили [3] можно записать в виде граничных задач для двух пар комплексных потенциалов Ф(0)(г), ^(0)(г) и ф00) (г), ¥00) (г)

Ф(0)(Т0) + Ф(0)(Т0) - е2;0[Х0Ф(0)'(Т0) + V0)(Т0)] =

_ [-(1-1/)р(О)(0) на площадке контакта, (4)

[ 0 вне контактной площадки;

Ф(0)(т) + Ф(0)(т) - [тФ(0)(т) + ¥(0)(т)]е2ю _ Ф00)(т) + Ф00)(т) - [тФ00)(т) + ¥00)(т)],

)

кф "(х) - Ф(0)(т) + [тФ (х) + ^ °;(х) ] в2 ,и =

) V

(°ъ Л1 2;е

О

= о\ к°Ф°0)(х) - Ф°0)(х) + [хФ°0)'(х) + ¥°0)(х)]е2'е [• + 2О°„(х),

Ф°°'(хх) + Ф°°)(т1) - [Х1Ф°°' (хх) + У0°;(хх)]е2'";

(0)'

„(0),

2,е

Ф(0)(гп) + Ф(0)(гп) + гпФф)'(гп) + у(0)(гп) = 0 при \гп\ < 1п, п = 1,2,..., N°. (5)

где кь = 3 - 4ц; к0 = 3 - 4ц0; х0 = Л0ехр(г'е); х = Яехр(Ш); X! = ^ехрО'е); О, О0 - модули сдвига материалов втулки и подкрепляющего цилиндра; ц, ц0 - коэффициенты Пуассона материалов втулки и подкрепляющего цилиндра.

Комплексные потенциалы Ф(0)(г), у ;(г) и Ф°0) (г), у°0) (г), дающие решение граничной задачи (4), (5), ищем в виде [3, 4]

Ф(0)( г) = Ф10)( г) + Ф20)( г) + ф30)( г), у(0)( г) = у<0)( г) + уД г) + у3°)(г),

Ф10)(г) = X акгк, у<0)(г) = £ с/, ф20)(г) = 2П£ |

к =

0

1-гк '

к = 1-/„

¥2 К

(г) = 2П£е I

к = 1

N° 1к

Ф3Щ<г) = 2п£ I

к= 1-1к N° 1

¥30)<г) = 2Пг £ I

£'(•) т„е'- „(О,, 2 „к (1)

1_г - гк (г - гк)2

йг,

\

г 1- гТ,

-а 1 - ТкТк

к/

,ак (0)^4 (—к к к е „ к (г) + „к (г) е =-— 2

Тк(1- гТк) J

йг,

(6)

к = !-/„

„к (г)е

гТк 2

2

+ „к0)( г) е-

г г( I- гТк) (1- гТк)

йг,

1- ТкТк 2(1- ТкТк)

1- гТк гТк(1- гТк)2 (1- гТк)3 J

Ф°0)(г) = £ йкгк, ¥°0)(г) = £ Ъкгк,

к = -

к = -

где 1к = ге + гк ; гк = е (г - гк); „к (г) - искомые функции, характеризующие скачок перемещений при переходе через линию соответствующей трещины в нулевом приближении.

Удовлетворяя функциями (6) краевым условиям (5) на берегах трещин, получим систему N комплексных сингулярных интегральных уравнений относительно неизвестных функций (хк)

£ | [Япк(г, х)„к0)(г) + ^к(г, х)„к0)(г)]йг = п(х), |х| < ¡п, п = 1 , 2, ..N0;

к = 1-1к

/п(х) = -[ф10)(х) + Ф^(х) + хФГ (х) + уГ(х)].

ч(°)

(0)'/

,(0),

к

2

к

N° ¡к

Здесь переменные х, г, гп и 1п безразмерные величины, отнесенные к Я0

япк(г, х) _ "-Т

1 е

+ -=-

-21 а \

Т1т - Х„

Тк - Х„

1

1 - ТкТк

Хп(ХпТк -1) Тк(1- ТкХп)2

-21 ап ( Тк Тк - 1 ) ( 2 Хп Т кХп + 3 Хп Тк + 1 ) + Хп Тк ( 1 - Хп Тк ) 2

ТкХ2п(ТкХп -1 )3

-¡ак/

$пк(г, х) _ "^Т"

V Тк - Хп

Тк- Хп -2 а е

(Тк - Хп )2

1 - ТкТк

Хп ( ТкХп -1) Тк( 1- ХпТк )2

-21 а.

1 .ХпХп (1-2 ХпТк + 3 ХпТк -2)

2

пк Хп( 1 - ХпТк)

Х

>ап 0

хе + гп.

Для составления уравнений относительно коэффициентов ак, ск, йк, Ьк используем метод степенных рядов [3]. Бесконечные системы уравнений относительно этих неизвестных не приводим из-за громоздкости. К системе сингулярных интегральных уравнений для внутренних трещин следует добавить дополнительные условия

|g(k0\г)йг _ 0, к _ 1,2,..., N0

(8)

С помощью процедуры алгебраизации [4, 5] система комплексных сингулярных интегральных уравнений (7) при условиях (8) сводится к системе Ы0 х М алгебраиче-

ских уравнений для определения N0 х М неизвестных рп (гт), где п = 1, 2, ..., Ы0, т = 1, 2, ..., М, г = 1, 2, ..., М - 1

М N0 __М

М X X 1к [рк(гт)Я + Рк(гт) ^пк(1кг т' 1п Хг)] _ /n(xг), X Рп(гт) _ 0 (9)

т_1 к_1 т_1

где гт = соз[(2т - 1)/2М]п, хг = со8(пг/М).

Если в (9) перейти к комплексно-сопряженным значениям, то получим еще N0 х М алгебраических уравнений. Для коэффициентов интенсивности напряжений в окрестности концов трещин в нулевом приближении находим

М

К(0) - о _ ^М Х(-1 )тр0(гт)^

2 т - 1, 4М

-п у правой

_1

М

тЛ0) .^(0) /—г 1 V" / пМ + т 0,^

К1п - КП„ _ *1п1пМ X (-1) Рп(гт) ^

2т - 1, --4-М--

- п у левой вершины трещины

_1

(п = 1, 2, ..., N0).

Аналогично можно рассмотреть случай, когда часть трещин одним концом выходит на внутреннюю поверхность втулки. В этом случае число условий (8) уменьшается на число трещин, выходящих на поверхность втулки. Таким образом, для поверхностных трещин условия (8) заменяются на условие конечности напряжений на крае, выходящем на поверхность г = Я0

Х^М , 1 ЧМ + т 0,, Л 2т-1 п , 0 ЛГ ЛГ

Хт _ 1 (-1) Рп (Гт) 4М п = 0, где п = 1, 2, ., N1, N1 - число поверхностных трещин.

к

к

и

После определения искомых величин нулевого приближения, можно перейти к построению решения задачи в первом приближении. На основании полученного ре-

(0) (0) (0) т-т г,

шения находим компоненты напряжений оГ , о0 , х^е . При г = к0 определяем функции N и Т.

Краевые условия (3) можно записать в виде граничных задач для нахождения комплексных потенциалов Ф(1)(г), у(1)(г) и фО^ (г), уО^ (г), которые ищем аналогично (6) с очевидными изменениями. Дальнейший ход решения такой же, как в нулевом приближении.

Полученная система комплексных интегральных уравнений относительно g\ (0,

g\ (I) при дополнительных условиях (8) с помощью алгебраической процедуры сводится к системе N0 х М уравнений для определения N0 х М неизвестных gnl' (}т) при п = 1, 2, ..., N0, т = 1, 2, ..., М. В правую част

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.

Показать целиком