Демурин Алексей Степанович. Оценка прочности и ресурса деталей машин из композиционных материалов на примере роликоопор ленточных конвейеров

Краткое описание

Демурин Алексей Степанович. Оценка прочности и ресурса деталей машин из композиционных материалов на примере роликоопор ленточных конвейеров : диссертация ... кандидата технических наук : 01.02.06.- Санкт-Петербург, 2003.- 117 с.: ил. РГБ ОД, 61 03-5/2570-0

Санкт-Петербургский государственный инженерно-экономический университет
На правах рукописи
Демурин Алексей Степанович
ОЦЕНКА ПРОЧНОСТИ И РЕСУРСА ДЕТАЛЕЙ МАШИН ИЗ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ПРИМЕРЕ РОЛИКООПОР ЛЕНТОЧНЫХ КОНВЕЙЕРОВ
Специальность: 01.02.06.«Динамика, прочность машин, приборов и
аппаратуры»
(технические науки)
Диссертация
на соискание ученой степени кандидата технических наук
Научный руководитель: Заслуженный деятель науки доктор технических наук, профессор,
Дурнев В.Д.
Санкт-Петербург 2003 г.

Содержание
Стр.
Введение 4
1. Литературный обзор проблем обеспечения прочности роликоопор ленточных конвейеров из композиционных материалов 7
1.1. Современные представления о прочности роликоопор
из композиционных материалов 7
1.2. Требования, предъявляемые к роликоопорам
из композиционных материалов, и механика разрушения
данных материалов 8
1.3. Прочность роликоопор из композиционных материалов
и теория расчета напряжений 9
1.4. Цель, актуальность, необходимость и важность работы.
Задачи исследования ... 16
2. Анализ эксплуатационных условий роликоопор
из композиционных материалов 18
2.1. Анализ износа роликоопор из композиционных материалов 18
2.2. Анализ взаимодействия вязкоупругой роликоопоры
с транспортерной лентой. Расчет напряжений по теории упругости 20
3. Экспериментальное исследование напряженно-
деформированного состояния корпуса роликоопоры 28
3.1. Анализ экспериментальных данных 40
4. Разработка роликоопор из композиционных и вязкоупругих
материалов. Исследование защитных покрытий 49
4.1. Разработка армированной вязкоупругой роликоопоры
с предварительно напряженным состоянием 51
2

4.2. Разработка роликоопоры из композиционного материала
с предварительно напряженным состоянием 58
4.3. Исследование защитных покрытий для роликоопор из компози¬ционных материалов 65
5. Ресурсные испытания роликоопор: моделирование нагрузок и
стенды для их реализации 75
5.1. Обзор, классификация и анализ стендов для испытания
роликоопор 75
5.2. Моделирование нагрузок на роликоопоры из композиционных
материалов и стенды для их реализации 77
6. Эффективность выполненных разработок 92
Выводы 94
Литература 98
Приложения. Результаты внедрения 108
Приложение 1. Опытно-промышленное внедрение роликоопор
на конвейере транспортировки отработанной формовочной смеси литейного цеха
Акт научно-технической комиссии о реализации научных положений и выводов кандидатской диссертации на НПО «Знамя Октября»
Приложение 2. Разработка конвейера экскаватора ЭТР-201А Акт о внедрении результатов диссертационной работы ПО «ВНИИ Земмаш»

Список литературы

Выводы
1. На основе теоретического и практического анализа ресурса роликоопор из КМ установлена необходимость исследования проблем их разрушения, разработки новых конструкций роликоопор и технологических приемов их изготовления, обеспечивающих повышение их ресурса, а также разработки методики испытаний и стендов для данной цели. ...
2. В процессе анализа износа роликоопор из КМ после их трехмесячной опытно-промышленной эксплуатации установлено, что происходит изменение размеров по наружному диаметру в зоне контакта с транспортерной лентой на 1,0 4-1,25 %, а вне зоны контакта — увеличение до 1 %; изменяется масса роликоопоры в пределах -4,0 ^ 2,0 %; изменяется состояние поверхности — возникают микротрещины, макротрещины, разрушения, расслоения и волнистость поверхности; изменяются физико¬механические свойства материала: все параметры снижаются на 6 9 %.
3. Анализ взаимодействия вязкоупругой роликоопоры с транспортерной лентой и расчет напряжений по теории упругости о качении вязкоупругого цилиндра по вязкоупругому основанию, для рассматриваемой здесь задачи выполненный впервые, позволил установить, что касательные и нормальные напряжения несимметрично распределены по площадке контакта, и при выходе из контакта с транспортерной лентой они меняют свой знак, причем это происходит при достижении их максимального значения и при пульсационном режиме с частотой 4,16 Гц, чем может объясняться наличие микротрещин, трещин, локальные расслоения поверхностного слоя корпуса роликоопоры и его разрушения.
4. Из анализа НДС экспериментальным способом для данной детали, выполненной также впервые, установлено:

— наиболее предпочтительными, с точки зрения усталостного разрушения, являются подшипники скольжения, особенно для роликоопор, используемых в тяжелых и особо тяжелых условиях эксплуатации, т. к. Градиент напряжений для данных узлов значительно ниже, чем при применении подшипников качения: здесь при применении этих подшипников градиент напряжений особенно высок при действии неравномерно распределенной нагрузки в 3,64 раза, а при действии сосредоточенной нагрузки — в 32,14 раза;
— при проектировании конвейеров с роликоопорами из КМ целесообразно выбирать роликоопоры на один типоразмер выше, чем расчетный, т. к. в роликоопорах малых типоразмеров возникают максимальные напряжения, и при этом значительно выше частота- изменения знака напряжений, как уже было отмечено выше;
— наиболее напряженными зонами в роликоопоре являются места посадки подшипников: коэффициент концентрации напряжений в этой зоне достигает значения аст = 14,5 для подшипника скольжения и ас= 5,7 для подшипника качения; в данной зоне также обнаружено совместное действие нормальных и касательных напряжений.
5. Проведенный анализ эксплуатации роликоопор из КМ и исследование их напряженного состояния при действии различных нагрузок позволяет разработать:
— принципиально новые способы изготовления корпусов роликоопор с предварительно напряженным состоянием как методом навивки взаимопересекающимися нитями и с различной плотностью (наиболее плотная в зонах концентраций напряжений и менее плотная по средней части), так и методом поэлементного прессования роликоопоры из МДП внутреннего цилиндра и наружного также с различной плотностью, далее совместное окончательное прессование и
95

последующее нанесение на роликоопору водо-абразиво- кислотостойкого покрытия.
Данные технические решения позволили увеличить ресурс роликоопор на порядок, по отношению к предшествующим конструкциям из КМ, о чем свидетельствуют анализ трехмесячной опытно-промышленной эксплуатации новых роликоопор и установление отсутствия изменений основных размеров и состояния поверхностей.
6. На основании теоретического, практического и экспериментального анализа проблем ресурса и прочности роликоопор из КМ выполнена классификация действующих нагрузок и стендов для их реализации, разработаны методы моделирования нагрузок и специализированные стенды:
— для моделирования неравномерно распределенной нагрузки с нагружателем в виде пневматической оболочки, где q = f (х;р), и с нагружателем в виде оболочки, облегающей внецентренно сжатые пружины, где q =/(х;р*;к)
— для моделирования подвижно-переменной нагрузки с нагружателем в виде внецентренно сжатой пружины, где q=f (х;р*;е);
— для моделирования широкого диапазона равномерно распределенных нагрузок с вязкоупругим силовозбудителем, где q = /(SьПйа).
7. Результатом комплексного теоретического и экспериментального исследований проблем ресурса и прочности роликоопор являются технические решения, защищенные авторскими свидетельствами:
— способ изготовления корпусов конвейерных роликов поэтапным формированием;
— роликоопора ленточного конвейера, корпус которой выполнен армированной нитью с переменной плотностью;
— шесть вариантов стендов для испытания роликоопор.

8. Исследованием установлено, что применение защитных покрытий из высокопрочных композиционных материалов позволяет в 1,5-2 раза снизить водопоглощение древесно-пластического материала, повысить ударную прочность в 1,3 раза и заначительно повысить стойкость к усталому износу в Юч-20 раз. В соответствии с результатом исследования разработана технология нанесения защитных покрытий на роликоопоры из композиционных материалов.
9. Произведено опытно-промышленное внедрение роликоопор из древесно-пластических материалов с защитным покрытием в условиях литейного цеха на транспортировке формовочной смеси в течение 2 месяцев (одного межремонтного цикла), что позволило сделать заключение о значительном повышении работоспособности роликоопор и делает их по данному параметру сопоставимыми с металлическими, что подтверждено актом внедрения.
Результаты выполненных работ были использованы при проектировании конвейера экскаватора ЭТР-201А, что также подтверждено актом пользования.
10. Выполнен расчет эффективности использования разработок, согласно которому ожидаемый экономический эффект составляет 2,5 млн. рублей в год.