Моделювання зносоконтактних параметрів для циліндричних напрямних ковзання Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2015, № 1 37 Сорокатий Р.В., Посонський С.Ф., Диха К.О. Хмельницький національний університет, м. Хмельницький, Україна E-m ail: t ribosenator@gmail.com МОДЕЛЮВАННЯ ЗНОСОКОНТАКТНИХ ПАРАМЕТРІВ ДЛЯ ЦИЛІНДРИЧНИХ НАПРЯМНИХ КОВ ЗАННЯ УДК 621.891 Наведені р езу льтати комп`ю тер ного моделювання контактних напр у жень і дефор мацій тр ибосистеми «пов- зу н-палець» циліндр ичної напр ямної пр ес-фор ми для оцінки його зно состійкості. Встановлена можл ивість оцінки впливу особливостей констр у кції ву зла тер тя та його у мов р оботи на пер ебіг пр оцесів зношу вання. Клю чові слова: комп`ютерне моде люванн я, конта ктний тис к, ц илін дрична напрямна, зносостій кіс ть . Вступ На етап і проектування вузлів тертя не доста тньо уваги приділяєтьс я розрахунковим методам ана- лізу процесів зношування й прогнозування ресурсу пара тертя за кри терієм зношування [1]. З огляду на важ ливіс ть даної проблеми стає очевидною необ хідніс ть с творення розра хункови х інс трументів для інженерного ана лізу вузлів тер тя. Я к показав а наліз використан ня міцн існи х розра хун- ків, ефекти вним інструментом в інженерн ій дія льності є комп`ю терні розра хункові па кети , я кі дозволя- ють за допомогою розрахункови х мето дів оц іни ти, як пове деться комп'ю терна модель вузла в реальни х умовах експ луатац ії, допомагають перекона тися в працезда тнос ті йо го в за даний періо д часу, без до да т- кови х ви трат часу й засобів. Опис конс трукції і умов екс плуатації трибос ис теми повзун-пале ць прес-форм и Ру хомі з’є днання зворотно-поступального руху дета лей, зазвичай, працюють в умовах інте н- сивного тертя ковзання. До та ки х де талей , зокрема, віднося ть напрямні ко лонки і втулки вирубни х і про- бивни х ш тампів для лис тового ш тампування, напрямні де талі термопласта втоматів, тощо. Особливу увагу заслуговую ть подібн і де та лі ме хан ізм ів перетворення напрямків ру ху, які п ід- даю ться значним навантажен ням, що призводи ть до ін тенсивного зношування їх конта ктни х повер хон ь і порушення роботи механізмів в цілому. До таки х пар тертя, зокрема, належа ть клин – пальці і повзуни прес-форм з двома взаємо перпендикулярними площи нами рознімання, які широко використовую ться для ли ття п ід тиском фасонни х виробів з полімерни х матер іалів і метале ви х спла вів. На рис. 1. зображено 4-х твірну прес-форму для ли ття п ід тиском полімерни х порожнисти х виробів типу зливни х лійо к умивальни ків. Зовн ішн і повер хн і виробу формуються рухомою 1 та неру хо- мою 2 матрицями, а внутр ішн і – зна ками 3. 3 2 5 41 Рис. 1 – Прес-форма для лиття під тиском поліме рних порожнистих виробів: 1 – рухома матриця; 2 – не рухома матриця; 3 – знаки; 4 – клин-паль ці; 5 – повзуни Моделювання зносоконтактних параметрів для циліндричних напрямних ковзання Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2015, № 1 38 В зімкну тому стані прес-форми розплав полімеру через ливникову втулку і систему впускни х та розвідни х кана лів заповнює формотворні гн ізда, де він о хо лоджується до повного твер діння, п ісля чо- го відбувається автоматичне розкривання прес-форми шля хом розмикання її складови х у такій послідовності. Спочатку розмикаються матриця за ра хунок переміщен ня ру хомої 1 від неру хомої 2 її части ни. При цьому відформовані вироби утримуються де я кий час в ру хомій матриц і 1. Потім двома кли н- пальцями 4, прикріп леними до неру хомої п ли ти прес-форми, розводя ться в проти лежну с торону рухомі повзуни 5 разом із прикріплен ими до ни х зна ками 3. Ру х повзун ів продовжується до того часу, поки зна- ки не вий дуть за межі отворів у ви ливка х. При замика нні прес-форми рухи відбуваються у зворотному напрямку. Базовий матеріа л повзуна – легова на ста ль 20Х або 18ХГТ з цементац ією, гар туванням та від- пуском, твердіс тю HRC 56 – 52. Повзун працює в парі з кли н-па льцем, що виго товляють із інс трумента- льни х висо коякісни х ста лей ти пу У8А, У10А термооброблених до твердості HRC 59 – 65. Що стосується товщини мін імального шару масти ла у дан ій парі тер тя, то відомо, що спряжен і поверхні оброблено до шорсткості zR = 0,4 мкм. Як вже було відмічено, дан і де талі працюють в умова х граничного мащення, а тому товщина мінімального прошарку мастила повинна скла да ти не менше за ве- личину шорсткості конта ктуючи х повер хонь , тобто: 2  zRJ 0,8 мкм. Для даного спряження рекомендовані ан тифрикц ійн і масти ла, я кі воло діють високими проти- задирними влас тивостями, тому що при роботі вузла саме за дирки можуть інтенс ифікува ти процеси зношення. Найбажан ішим є зас тосування масти ла ЦИАТИМ – 210, або Літол – 24. В ц ілому, ресурс даного вузла тертя повинен скла дати не менше як 3 ... 5 тис . циклів, але при порушенні експлуа тації (змащення через кожні 2 ... 3 змін и роботи) ресурс вузла може зменшитись на 30 % , і с кла да ти відповідно 1 ... 2 тис. циклів. Граничне значення зазору в спряжені повзун-па лець скла- дає 0,5 мм. Визнача льним, щодо зносостій кості і на дійності працездатнос ті прес-форм, є стабіль ніс ть роз- мірів і с тану повер хонь тертя клин -пальців та їх напрямни х, які п іддаються зношуванню п ід дією знач- ни х кон тактни х нава нтаже нь. Кінематичний си ловий аналіз роботи спряження повзун палець дозво лив встанови ти значення си ли притис кання пальця до повзуна N = 3926 Н. Чисель не м оделювання трибоконтактної взаємодії у трибосис темі повзун-палець Першим кроком для побудови моделей та прогнозування зносостійкос ті вузла тертя є етап ви- значення особливостей кон тактно ї взаємодії елемен тів реального вузла тертя і оцінки напружено- деформованого стану, який дозволи ть обґрунтува ти вибір розра хункови х моде лей. Пара тертя клин-палець – повзун має конструкти вні особли вості, що буду ть суттєво вп лива ти на розподіл та значення ве личин, які характеризують кон тактни й тиск в зоні тер тя. Аналіз існуючи х розрахункови х моделей , які б дозволи ли з доста тньою точніс тю визначити конта ктн і наван таженн я в зоні тер тя з урахува нням конструктивни х особливостей та специфіки функц іо- нування вузла тер тя показав, що наявні моделі містя ть ря д припущень, які є визначальними для вузла те- ртя і не хтування ними призве де до суттєви х по хибок у результата х і унеможливи ть побудову адеква тни х аналітични х моде лей. Ви хо дячи з ви щевка заного для розра хунку ве личини кон тактного тис ку в спря- женні клин-па лець – повзун ви користано мето д с кінчени х е лементів. Для аналізу і розрахун ку величини кон тактного тиску в парі тертя побудован і розрахун кові с хеми предс тавлені на рисунку 2 (а, б). При аналізі кон тактної взаємодії елемен тів пари тер тя доцільно розгляну ти два гранични х варіа нти взаємного розміщення повзуна та клин -пальц я, на початку та в кінц і циклу пресування, коли відмін ності напружено-деформованого стану можуть бути максимальними. Повер хню В наван тажено еквіва лен тною силою, я ка моделює наван таження від взаємодії повзу- на та пальц я (нормальна реакц ія N ). Повер хня па льця А закр іплена неру хомо. У відповідності до розрахунково ї с хеми в препроцесорі програмного комплексу Ansys побудо- вана розрахун кова скінчено-е лементна моде ль (рис. 3). Для створення сітки с кінчени х елемен тів повзуна викорис тані просторові два дця ти вузлові еле - менти SOLID186, для сітки скінчени х елементів па льця – просторові тетрагона льн і деся ти вузлові елеме- нти SOLID187. В якості кон тактної повер хн і вибрана поверхн я повзуна, а цільовою – поверхня паль ця. Для створення контактни х повер хонь цільової повер хні ви користан і елементи TA RGE170, а контактно ї – CONTA 174. Д ля розв’я зку кон тактної задач і вибрано модифікований мето д Лагранжа, я кий забезпечує високу точн ість при досить шви дкому збіганню резуль татів. Моделювання зносоконтактних параметрів для циліндричних напрямних ковзання Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2015, № 1 39 а б Рис. 2 – Розрахункова схема вузла те ртя: а – положення закритої пре с-форми; б –положе ння відкритої прес-форми Рис. 3 – Розрахункова модель Резуль та ти розра хунків напружено-деформованого стану при контактній взаємодії повзуна та пальця в с тан і за крито ї прес-форми представлено на рис. 4 - 5. Аналіз форми розподілу конта ктного тис ку на поверхн і повзуна (рис. 4, 5) показує, що на повер- хн і формується симетрична відносно осі обертання цилін дричної повер хн і повзуна конта ктна зона витя г- нутої форми в напрямку не за кріп леного кін ця па льця. Зони максимального тиску зміщен і в сторону до жорстко закр іп леної повер хн і па льця. Рис. 4 – Розподіл контактного тиску на пове рхні повзуна Рис. 5 – Ізолі нії розподілу контактного тиску на пове рхні повзуна Моделювання зносоконтактних параметрів для циліндричних напрямних ковзання Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2015, № 1 40 Зона контактної взаємодії має специфічну форму (рис. 6), яка обумовлена специфікою деформ а- ційни х процесів та взаємного переміщення па льця та повзуна. Особли віс ть кон тактної взаємодії в даному випадку поля гає у відносно великій про тяжнос ті кон такту в осьовому напрямку та суттєви х деформація х, відносно тон кого паль ця п ід дією наван таже ння від повзуна. Такі конс труктивн і особливос ті пари тер тя формують характерний напружено-деформований стан (рис. 7) та специфічний розподіл кон тактного ти- ску на повер хн і (рис. 4 - 7). Рис. 6 – Розподіл контактного тиску на половині контактної пове рхні Рис. 7 – Розподіл е квівале нтних напруже нь (Мі зес) Аналіз зони розподілу конта ктного тис ку на поверхні повзуна (рис. 8) вказує на те, що максим а- льн і конта ктні нава нтаже ння вини кають на границя х кон тактно ї взаємодії пальц я та ци лін дричної повер- хн і повзуна і у творюють відносно неве лику витягну ту вздовж осі обертанн я ци лін дричної повер хні пов- зуна зону. Зменшення величин кон тактни х наван тажень відбувається, я к в сторону до середини зони ко- нтакту в радіа льному напрямку так і в напрямку не закріплено ї с торони пальця . За дани х умов взаємодії максимальн і кон тактн і наван тажен ня ся гають значень 20 МПа . Рис. 8 – Розподіл контактного тиску на пове рхні повзуна Резуль та ти розра хунків напружено-деформованого стану при контактній взаємодії повзуна та пальця при відкри тій прес-формі предс тавле но на рис. 9 - 13. Аналіз форми розподілу конта ктного тис ку на поверхн і повзуна (рис. 9, 10) показує, що на пове- рхн і формується симетрична відносно осі обертання цилін дричної повер хн і повзуна кон тактна зона витя- гнутої форми в напрямку не закр іп леного кінця па льця. Зони максимального кон тактного тис ку зміщені в сторону до жорстко закріпленої повер хн і пальц я. Зона контактної взаємодії па льця та ци лін дричної по- вер хні повзуна у випадку відкри тої прес-форми (рис. 9, 10) на відміну від закри тої (рис. 4, 5) не ви хо ди ть на торцеву поверхню повзуна, та к як конс трукція робочого торця пальця виконана у вигля ді сфери, яка в цьому положенні не взаємодіє з ци ліндричною повер хнею повзуна. Моделювання зносоконтактних параметрів для циліндричних напрямних ковзання Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2015, № 1 41 Максимальні значення конта ктного тиску сягаю ть 19,6 МПа , що не значно відрізняє ться від ви - падку закри тої прес-форми. Рис. 9 – Розподіл контактного тиску на пове рхні повзуна Рис. 10 – Ізолі нії розподілу контактного тиску на поверхні повзуна Аналіз зони розподілу кон тактно го тиску на повер хн і повзуна (рис. 11) вказує на те , що макси - мальні кон та ктні на ван таження виникаю ть на границя х кон тактної взаємодії па льця та ци лін дричної по- вер хні повзуна і утворюють ви тя гнуту вздовж осі обертанн я ци ліндричної повер хн і повзуна зону. Змен- шення величин кон тактн и х наван тажень відбувається , як в сторону до середини зони конта кту в радіа ль- ному напрямку так і в напрямку не закр іп леної с торони пальця. Рис. 11 – Розподіл контактного тиску на половині контактної поверхні Зона контактної взаємодії має специфічну форму (рис. 12), я ку обумовлюють специфічн і дефор- маційні процеси. Особливість кон тактно ї взаємодії в даному випадку поля гає у відносно великій протя- жності кон тактно ї взаємодії в осьовому напрямку та суттєви х деформація х па льця п ід дією на ван таження від повзуна. Конс труктивн і особливості пари тер тя формують напружено-деформований стан (рис. 13) та специфічний розподіл кон тактно го тиску на повер хн і (рис. 9 - 13). Резуль та ти розрахун ків напружено-деформованого стану пари тертя клин-палець – повзун вка - зують, що для аналізу працезда тності та кого вузла тер тя необ хідно вра ховува ти конструктивні особливо- сті, які будуть суттєво вп лива ти на формування зони контактної взаємодії, розподіл та значення конта кт- ного тис ку в зоні тер тя. Аналіз кон тактно ї взаємодії для дво х гранични х вар іан тів взаємного розміщення повзуна та клин -па льця, в положення х відкри тої та за кри тої прес-форми вказує, що максимальний кон тактни й тиск Моделювання зносоконтактних параметрів для циліндричних напрямних ковзання Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2015, № 1 42 відрізняю ться не суттєво і с кла дає близь ко 20 ПМа, що дозволяє спростити моделю вання процесу зно- шування, прий нявши максимальний кон тактний тиск за с та лу величину на протязі одного ци клу пресу- вання. Рис. 12 – Розподіл контактного тиску на половині контактної поверхні Рис. 13 – Розподіл е кві вале нтних напружень (Мі зе с) З точки зору впливу на перебіг процесів зношування розподіли конта ктного тиску по цилін дрич- ній повер хн і повзуна для обох гранични х випадків роботи прес-форми вказують, що максимальн і кон та- ктн і наван таженн я, які вини каю ть на границя х конта ктної взаємодії па льця та цилін дричної повер хн і по- взуна і утворюють ви тягнуту вздовж осі обертання цилін дричної поверхні повзуна зону будуть суттєво впли вати на перебіг процесів зношування і формувати дві зони максимального зносу в місця х розміщен- ня максимальни х кон тактн и х тисків. Висновки 1. Аналіз е квівале нтн и х напружень та деформацій повзуна прес-форми показав, що діючі наван - таження ви кли каю ть су ттєві деформації, які є причиною вини кнення максимальни х еквівален тни х на- пружень в місцях кон тактно ї взаємодії клин-па льця і повзуна. При цьому діапазон робочих кон тактни х тисків складає  8 - 20 МПа . 2. Резуль та ти розра хунків напружено-деформованого стану пари тертя клин-палець – повзун вказують, що для ана лізу працездатнос ті такого вузла тертя необ хідно вра ховува ти конструктивні особ- ливос ті, я кі буду ть суттєво вп лива ти на формування зони кон тактно ї взаємодії, розподіл та значення кон- тактного тис ку в зоні тер тя. Літе ратура 1. Сорокатый Р.В. Анали з современного состояния и перспе кти вы разви тия САЕ-сис тем для триботе хники / Р.В. Сорокатый , М.А. Ды ха, С.С. Кова льчук // Проблеми трибології (Proble ms of Tribology). – 2010. – № 4. – С. 85-90. Поступи ла в редакц ію 28.01.2015 Моделювання зносоконтактних параметрів для циліндричних напрямних ковзання Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2015, № 1 43 Sorokaty R.V., Posonsky S.F., Dy kha К.O. Design of wear-contact parameters for the cylindrical sliding sending. The resulted results of comp uter design of contact tensions and deformations of the tribosystem «slide-block- finger» cy linder send in g p ress-form for the estimation of his wearp roofness. The set p ossibility of estimation of influen ce of features of construction of bearing knot and his terms of work is on motion of p rocesses of wear. Keywords: co mp uter design, contact p ressure, cy lindrical slidin g send in g, , wearp roofness References 1. Sorokaty R.V., Dy kha M.A., Kovalchuk S.S. Analiz sovremennogo sostojanija i perspektivy ra zv itija SAE-sistem dlja t ribotehniki, Proble mi tribolog ії (Proble ms of Tribology), 2010. № 4. Р. 85-90.