Напряженно-деформированное состояние при качении с противодействующим моментом

Контактные нагрузки, возникающие в процессе эксплуатации от тел качения, например, в подшипниках качения, в паре колесо-рельс, зубчатых зацеплениях, кулачковых механизмах и других подобных парах трения приводят в результате к разрушению поверхностей контактной пары. Наиболее характерными видами разрушения являются питинг и отслаивание [1]. Существует несколько точек зрения по поводу возникновения этих дефектов [2, 3, 4]. Если не вдаваться в металлургическую природу материала и структурную однородность, то главным фактором, определяющим ресурс работы пары трения, будет напряженно-деформированное состояние (НДС) в зоне контакта. Здесь значительную роль играют дефекты (неметаллические включения, пористость, структурная неоднородность и др.), попадющие в зону действия опасных напряжений. Они становятся инициаторами развития процесса разрушения. Скорость разрушения будет определяться сложившейся картиной НДС. Моделирование НДС в зоне контакта при различных режимах качения дает возможность оценивать нагрузочную способность рассматриваемой контактной пары.

Создание в поверхностном слое дорожки качения сжимающих напряжений, как пока- зывает опыт, благоприятно сказывается на работоспособности механизмов, использующихся в качестве основного вида передачи нагрузки качением. В работе поставлена задача: проанализировать влияние цементации на НДС в зоне контакта на примере модели роликового подшипника. Качение ролика по внутреннему кольцу модели подшипника рассматривается для цементованной и нецементованной поверхностей с наложением противодействующего момента. Поставленная задача решается с помощью программного модуля ANSYS. Методика расчетов в ANSYS по заданию граничных условий рассмотрена авторами в более ранних работах [5, 6, 7]. Цементация выбрана как один из наиболее эффективных способов создания в поверхности сжимающих напряжений, обеспечивающих необходимую толщину упрочненного слоя с достаточно плавной границей перехода. Объемная модель подшипника создана в программе «Компас» в виде сектора с углом для уменьшения объема вычислений и транслирована в ANSYS. Диаметр ролика задан – 10 мм, радиус кривизны поверхности внутреннего кольца – 50 мм. Толщина цементованного слоя – 1 мм, а толщина колец – 10 мм. Концентрация углерода в исходном состоянии – 0,2 %, в цементованном слое – 0,8 %. Остальные данные

Напряженно-деформированное состояние при качении с противодействующим моментом необходимые для расчетов используются из работ [8, 9]. Для исключения влияния торцевых поверхностей модели подшипника распределение напряжений рассматривается в плоскости, перпендикулярной оси подшипника и проходящей через его середину. Внутреннее кольцо закрепляется неподвижно, а радиальная нагрузка, усилие качения и тормозной момент прикладывается к ролику. Момент противодействующий качению в пределах 10÷100 Н м.

Рассматриваемая в работе схема приложения сил соответствует таким практическим примерам, как сцепление ведущего железнодорожного колеса с рельсом или автомобильного с дорогой. Ролик в модели подшипника является ведущим звеном. На рис. 1 представлены результаты расчета для двух вариантов: цементованная поверхность качения и нецементованная. Для цементованной поверхности величина остаточных нормальных тангенциальных (σ _x , сжимающих) напряжений составляет 600÷650 МПа. Общая картина распределения нормальных тангенциальных напряжений, как видно из рис. 1, получается довольно сложной. Непосредственно под пятном контакта напряжения минимальны. Области сжимающих и растягивающих напряжений соседствуют друг с другом. Максимумы растягивающих и сжимающих напряжений в поверхностном слое толщиной 0,05 ÷ 0,1 мм, как видно из рис. 2, сдвинуты от пятна контакта примерно на 1÷2 мм.

С увеличением глубины до 1 мм напряжения существенно снижаются и влияние контактных нагрузок нивелируется. При наличии цементованного слоя “синусоида” изменения контактного напряжения опускается вниз по оси ординат и напряжения σ _x остаются все время сжимающими как непосредственно на поверхности, так и в глубине. Что касается радиальных нормальных напряжений, то характер их изменения (рис. 3), как для цементованной поверхности, так и для нецементованной, один и тот же и цементация приводит только к росту сжимающих напряжений. График иллюстрирует изменение напряжений в тонком поверхностном слое.

Рисунок 1. Первичные результаты расчета для модели роликового подшипника: а ) – нецементо-

Упрочнение поверхности цементацией не оказывает существенного влияния на распределение касательных напряжений σ _SS (рис. 4). График имеет почти симметричный вид относительно оси, проходящей через точки центра тела качения и пятно контакта. Минимум касательных напряжений приходится на пятно контакта. По мере удаления от поверхности контакта величина σ SS увеличивается, проходя через максимум.

ванная поверхность, нормальные тангенциальные напряжения; б ) – нецементованная поверхность, нормальные радиальные напряжения; в ) – цементованная поверхность, нормальные тангенциальные напряжения; г ) – цементованная поверхность, нормальные радиальные напряжения

Использование программного комплекса ANSYS позволило достаточно полно проанализировать НДС в зоне контакта тела каче-

С.И. Каратушин, Н.А. Бильдюк, Ю.А. Плешанова

ния с учетом остаточных напряжений от це-

ментации.

Рисунок 2. Распределение тангенциальных напряжений σ x по поверхности качения для цементованной и нецементованной дорожек

Рисунок 3. Распределение радиальных напряжений σ y по поверхности качения

Рисунок 4. Распределение касательных напряжений σ SS по поверхности качения

Цементация дорожки качения приводит к устранению растягивающих нормальных тангенциальных напряжений в поверхностном слое в режиме качения, когда тело качения является ведущим.

С увеличением момента, прикладываемого к телу качения, возрастают нормальные радиальные напряжения. Градиент этих напряжений достаточно велик.

Цементация увеличивает долю сжимающих напряжений. Тонкий поверхностный слой в отсутствии цементации нагружается в режиме симметричного цикла. Такое НДС поверхностного слоя будет приводить к отслаиванию. Что касается питинга, то тут основная роль принадлежит различного рода дефектам металлургического производства [4] и в первую очередь неметаллическим включениям. Уровень напряжений в глубине значительно ниже, чем на поверхности.