Отчет ИВМ СО РАН за 2008 год

Программы РАН

• Президиум РАН
• Отделение математических наук
• Отделение физических наук
• Отделение наук о Земле

Отделение наук о Земле

Программа № 7.3 «Техногенное преобразование недр Земли: развитие теоретических основ эффективного использования и сохранения георесурсов»

Исполнитель от ИВМ СО РАН: к.т.н., доц. С. В. Доронин

Установлены общие закономерности деформирования деталей рабочего инструмента (коронки различных конструктивных решений — 7 типов, ударник) машин импульсного действия:

1. При статическом нагружении деталей зоны высоких напряжений невелики по объему и локализованы в области приложения нагрузок. Максимальные значения статических напряжений, как правило, выше напряжений при импульсном нагружении. Таким образом, имеется концентрация напряжений, обусловленная локальным характером нагружения.
2. При импульсном нагружении максимальные значения напряжений характерны для момента времени 16 мкс (пика импульса), при этом они не выше таковых при статическом нагружении, а зоны высоких напряжений рассредоточены по объему детали.
3. Наблюдается существенная разница в максимальных значениях напряжений и их распределении по объему детали в моменты времени 16 и 40 мкс. Установлено, что в момент времени 40 мкс, соответствующий окончанию действия приложенного импульса, относительный уровень максимальных напряжений тем меньше, чем меньше длина детали и сложнее ее конструктивная форма. Это свидетельствует о том, что в последнем случае возрастает роль отраженных от противоположного торца детали, ее наклонных по отношению к оси поверхностей волн напряжений, взаимодействующих с напряжениями от приложенного импульса в момент окончания его действия.
4. В течение первых 100 мкс максимальные значения интенсивности напряжений изменяются в широком диапазоне, при этом локальная зона максимума напряжений первоначально смещается вдоль оси детали по направлению действия ударного импульса. На протяжении времени его действия эта зона достигает противоположного торца детали и возвращается обратно, при этом пиковые напряжения многократно возникают в зонах геометрических особенностей.
5. Анализ напряжений показывает, что практически на всех временных промежутках деформирования деталей после соударения вклад первых, вторых и третьих главных напряжений в формирование общей картины НДС оказывается сравнимым, что свидетельствует о высокой степени объемности напряженного состояния.

Проведены исследования по оценке прочности деталей импульсных машин. Особое внимание уделялось анализу зон конструктивной концентрации.

Характерные примеры изменения напряжений σ = f(t) для зон концентрации напряжений и зон вне конструктивной концентрации в том же сечении показаны на рис. 23 а, соответствующие значения коэффициентов концентрации напряжений — на рис. 23 б. При этом в течение времени затухания колебаний неоднократно коэффициент концентрации оказывается меньше единицы, то есть напряжения в зоне концентратора оказываются меньше таковых вне зон геометрических особенностей.

Рис. 23. Типичные временные характеристики прочности: а — интенсивность напряжений в зоне концентрации напряжений (1) и вне этой зоны в этом же поперечном сечении (2); б — зависимость коэффициентов концентрации напряжений от времени k = f(t)

Анализ процессов σ = f(t) позволил установить характерные зоны концентрации напряжений, построить графики зависимости коэффициентов концентрации напряжений от времени k = f(t), определить максимальные их значения и сделать вывод об обеспеченности прочности всех рассмотренных деталей при однократном импульсном нагружении с учетом упрочнения в локальных зонах упругопластического деформирования. При этом следует иметь в виду, что максимальные значения k(t) не дают представления ни о среднем уровне концентрации напряжений, ни о характеристиках процесса k = f(t).

Следствием импульсного нагружения деталей машин ударного действия являются их последующие свободные колебания, приводящие к циклическому знакопеременному деформированию материала. Разрушение материала в данном случае связано с накоплением усталостных повреждений. В связи с этим для оценки ресурса использована корректированная линейная гипотеза накопления повреждений.

Получены как абсолютные, так и относительные оценки ресурса. Последние позволяют оценить влияние конструктивного оформления зон концентрации с помощью коэффициента снижения ресурса β = T_δ/T_к, где T_δ — расчетная оценка ресурса детали без учета концентрации напряжений; T_к — расчетная оценка ресурса при наличии конкретного концентратора (наработка до возникновения в рассматриваемом концентраторе усталостной трещины). Оценки T_δ и T_к получают в одном поперечном сечении детали. Выполненные расчеты позволили систематизировать конструктивные оформления зон концентрации напряжений по степени их влияния на ресурс деталей и позволяют рассматривать предложенные расчетные показатели (коэффициенты концентрации k, снижения ресурса β, относительной напряженности коронки и породы q) как интегральные характеристики качества и эффективности конструктивных решений. Систематизация деталей машин ударного действия по этим показателям открывает возможность установить оптимальные конструктивные решения отдельных деталей.

Предлагается считать наиболее оптимальными те конструктивные решения, которые характеризуются меньшими значениями k, β и q, и большими значениями расчетного ресурса. Поскольку величины k и β в пределах одной детали могут значительно отличаться, то оценку эффективности следует выполнять не для деталей в целом, а для отдельных их характерных геометрических особенностей — концентраторов напряжений. В связи с этим возникает многовариантная итерационная схема проектных расчетов деталей машин ударного действия (рис. 24).

Рис. 24. Общая схема проектных расчетов деталей машин ударного действия

Основные публикации:

1. Доронин С. В., Косолапов Д. В.
   Оценка конструктивных решений и расчетное обоснование рациональных параметров деталей машин ударного действия для разрушения горных пород // Горное оборудование и электромеханика. — 2008. — № 10. — С. 47-53.

(Отдел машиноведения)