Розділ 1. Аналіз умов експлуатації виробу та вимоги до матеріалу

В данній курсовій роботі розглядається виріб – спіральна пружина перепускного клапану, що показана на рис.1.1.

Рисунок 1.1. – Ескіз пружини перепускного клапану

Пружини і ресори є пружніми елементами різних машин, механізмів і приборів, призначені для сприймання і гасіння ударів, колебаній, а також для привода рухомих частин і для виміряння зусиль. За характером роботи розрізняють пружини, що працюють на стиснення, розтяг, крутіння і спеціальні, які сприймають комбіноване навантаження, в основному згин.

Пружина може розглядатися як просторово вигнутий брус круглого перерізу, осьова лінія якого в найпростішому випадку уявляє собою гвинтову лінію. Геометрична форма осьової лінії визначається середнім діаметром витка D, числом витків n пружини і кутом підйому витків α (див. рис. 1.2). Підйом витка α характеризує крок пружини . Кут підйому витка α зазвичай не перевищує 10... 12 °.

Рисунок 1.2. – Ескіз пружини у вільному стані без навантаження

У будь-якому поперечному перерізі витка пружини розтягу виникає результуюча внутрішня сила F і момент (рис.1.3, а). Повна сила в перерізі паралельна осі пружини, а площина моменту Т збігається з площиною пари сил F. Нормальний поперечний переріз витка повернений по відношенню до цієї площини на кут α.

(1.1)

Для того щоб визначити осьове переміщення або деформацію пружини f, прикладаємо до кінців пружини одиничні сили і знаходимо виникаючі при цьому внутрішні силові фактори і отримуємо з (1.1) вирази, зменшені в Р разів:

. (1.2)

а) б)

Рисунок 1.3. – Сили і моменти, що діють при розтягуванні пружини

Отже в поперечних перерізах витка пружини виникає крутний момент Тк і поперечна сила Q (рис. 1.4, а). Дотичні напруження зрізу в перерізі, які пов'язані з наявністю поперечної сили, показано на рис. 1.4, б, а дотичні напруження крутіння - на рис. 1.4, в. Тут умовно прийнято, що дотичні напруження зрізу розподілені за площиною перерізу рівномірно, тому їх величина визначається за формулою:

, (1.3)

де А - площа перерізу прутка пружини, d – діаметр дроту пружини.

Дотичні напруження крутіння змінюються вздовж радіуса за законом прямої лінії (див. рис. 1.4, в) і досягають найбільшої величини в точках поблизу зовнішньої поверхні

, (1.4)

де W-полярний момент опору.

Рисунок 1.4 – Напруження в поперечному перерізі витка пружини, що виникло в результаті дії крутного моменту Тк і поперечної сили Qx

Небезпечною є та точка у поверхні, на контурі перерізу в якій напруження збігаються за напрямком - точка с на рис. 1.4,г. Повне дотичне напруження в точці с визначається сумою τ_зр і τ_{к max}

. (1.5)

Відношення d/2D є малою величиною, як правило меншою за 0,1 і тому їм можна знехтувати; це відповідає тому, що проводиться розрахунок стрижня пружини тільки на крутіння, нехтуючи зсувом.

Тому напруження τ_max що діють на пружину обчислюють з урахуванням поправочного коефіцієнта k:

. (1.6)

Умова міцності пружини має вигляд:

, (1.7)

де [τ] – припустиме дотичне напруження.

Для сталевих пружин застосовують матеріал підвищеної якості, напруження, що допускається становить 700...900МПа.

При дії статичних навантажень пружини можуть виходити з ладу внаслідок появи пластичних деформацій у витках. Тому задаються запасом міцності щодо пластичної деформації

, (1.8.)

де τ_Т – дотичні напруження у витках пружини, при яких відбувається пластична деформація.

Найбільші дотичні напруження у витку пружини обчислюють за формулою

, (1.9)

(при F=F_max), де c=D₀/d індекс пружини, який характеризує кривизну витка. Пружини з індексом с < 3 застосовувати не рекомендується через високу концентрацю напружень у витках. Зазвичай індекс пружини обирають в залежності від діаметра дроту.

Виті пружини стиснення, що застосовують при статичних навантаженнях для підвищення несучої здатності в пружній області, піддають заневоліванню. З цією метою пружини стискають до зіткнення витків і витримують від 6 до 48 годин до отримання залишкової деформації (осадження).

У результаті осадження під навантаженням в периферійних областях витка пружини з'являються пластичні деформації, а в поперечних перерізах дроту виникають напруження, епюра яких буде збігатися з діаграмою зсуву при первинному навантаженні (рис. 1.5).При розвантаженні пружини в її перетинах виникають залишкові напруження, які будуть компенсувати (в периферійній найбільш навантаженої області) напруження від зовнішнього навантаження, підвищуючи таким чином навантажувальну здатність пружини при роботі в пружній області.

Рисунок 1.5. – Діаграма зсуву

Пружини, які тривалий час працюють при змінних навантаженнях (наприклад, клапанні, пружини підвісок та ін), необхідно розраховувати на втомну міцність. На рис. 1.6. представлена залежність граничних напружень для пружин, побудована в координатах τ_max и τ_m.

Рисунок 1.6 - Залежність граничних напружень пружини

На рисунку τ₀ - границя витривалості матеріалу пружини при пульсуючих навантаженнях; τ_-1 - границя витривалості матеріалу при симетричному циклі

(1.10)

де τ_m- середнє дотичне напруження у витку пружини;

τ₀ - амплітудне дотичне напруження.

Виті пружини рідко працюють одночасно на розтяг та стиснення, тобто симетричний (знакозмінний) цикл навантаження (границя витривалості) не є характерним для пружин. Пульсуюче навантаження, що характеризується границею витривалості τ₀ також зустрічається рідко в динамічно навантажених пружинах. Більшість пружин працюють в умовах асиметричного навантаження при τ_m >τ₀.

Запас міцності таких пружин визначають за формулою

, (1.11)

де ε_τ - коефіцієнт, що враховує вплив масштабного фактору, - коефіцієнт запасу, зазвичай приймають n = 1,2... 2,2.

Для клапанних пружин рекомендується також перевіряти запас міцності за змінними напруженнями:

. (1.12)

Запас міцності n_a приймають не менш n_a=2…3.

Матеріали для пружин повинні мати високі і стабільні в часі пружні властивості. Виготовляти пружини з матеріалів низької міцності недоцільно. Маса геометрично подібних пружин при заданому навантаженні і пружному переміщенні назад пропорційна квадрату допустимого напруження. Це пов'язано з тим, що пружини з менш міцних матеріалів з метою збереження заданої жорсткості доводиться робити підвищених діаметрів і, отже, витки їх навантажені більшими моментами, ніж у пружин з більш міцних матеріалів. Ефективність застосування високоміцних матеріалів для пружин пов'язана також з меншою концентрацією напружень в пружинах, ніж в інших деталях, і з меншими розмірами перерізів витків.

Пружини та ресори випробовують у роботі багаторазові знакозмінні навантаження і після зняття навантаження повинні повністю відновлювати свої початкові разміри. В зв'язку з такими умовами роботи метал, що застосовують для виготовлення пружин і ресор, повинен володіти, окрім необхідної міцності в умовах статичного, динамічного або циклічного навантажень, достатньої пластичності, високими границями пружності і витривалості, ще й високою релаксаційною стійкістю, а при роботі в агресивних середовищах повинен бути також і корозійностійким.

Не менш важливими для металу пружин і ресор є також технологічні властивості - мала схильність до росту зерна і зневуглецювання в процесі термічної обробки, глибока прогартовуваність, низька критична швидкість гартування, мала чутливість до відпускної крихкості.

На якість пружин і ресор впливає стан поверхні прутків, дроту та смуг. Наявність зовнішніх дефектів (тріщин, волосовин, раковин, задирів, окалини і ін), а також зневуглецьованого шару знижує пружні і циклічні властивості металу. Тому зовнішні дефекти на поверхні прутків повинні бути видалені зачищенням або шліфуванням, а глибина зневуглецьованого шару не повинна перевищувати певної норми, встановленої ГОСТом на ресорно-пружинну сталь.

Високими властивостями (максимальні границі пружності і витривалості) пружини й ресори володіють при твердості 40-45 (структура - троостит відпуску), яка досягається після гарту (з рівномірним і повним мартенситним перетворенням за всім об'ємом металу) і середнього відпускання при 400-500˚С (в залежності від сталі). Для виготовлення пружин застосовують вуглецеві і леговані сталі, а для приладів - сплави кольорових металів, головним чином берилієвую бронзу.

Основними матеріалами для корозійностійких пружин є середньовуглецеві сталі, що леговані кремнієм, хромом, наприклад, сталь 40Х13.

Вимоги до матеріалу пружини перепускного клапану σв≥1650 МПа, σ_т≥1400 МПа, σ_-1≥700 МПа, HRCe ≥50, KCU≥20 Дж/см2.

Розглянемо сталь 40Х13.

Призначення – різальний вимірювальний інструмент, пружини, карбюраторні голки, предмети побутового вжитку, клапанні пластини компресорів та інші деталі, що працюють при температурі до 400-450 ° С, а також деталі, що працюють в корозійних середовищах. Сталь корозійно-стійка мартенситного класу.

Температури критичних точок, ˚ С: Ac₁=820; Ac₃=870; Ar₁=780; M_n=270.

В таблиці 1.1. показано хімічний склад сталі 40Х13.

Таблиця 1.1. - Хімічний склад сталі 40Х13, % мас. (ГОСТ 5632-72)

С	Si	Mn	Cr	S	P	Ti	Cu	Ni
Не більше	Не більше
0,36-0,45	0,8	0,8	12,0-14,0	0,030	0,025	0,2	0,30	0,6

В таблиці 1.2 наведені механічні властивості сталі 40Х13. З цієї таблиці бачимо, що прутки можуть надходити в різних станах і мати різні властивості.

Таблиця 1.2. – Механічні властивості сталі 40Х13

ГОСТ	Термічна обробка, стан постачання	Переріз, мм	σв, МПа	δ5, %	Твердість
Не менше
ГОСТ 5949-75	Прутки. Гарт 1000-1050 °С, масло. Відпуск 200-300 °С, охолодження на повітрі або в маслі.	Зразки	--	--	Не менше HRCе 52
ГОСТ18907-73	Прутки шліфований, обоблений на задану міцність відпалений	1-30     Св.5	590-810		-     НВ 143-229
ГОСТ 5582-75	Листи горячекатанні або холоднокатані. Відпал або відпуск 740-800 °С (зразки поперечні)	До 3,9			-
ГОСТ 18143-72	Проволока термооброблена	1-6	590-880		-

Таблиця 1.3. - Механічні властивості сталі 40Х13 в залежності від температури відпуска

t відпуску, °С	σ0,2, МПа	σB, МПа	δ5, %	ψ, %	KCU, Дж/ см2	Твердість HRCе НВ
Гарт, 1000 °С, масло
						НВ217

Виходячи з цих данних можемо сказати, що при підвищенні температури відпускання знижуються механічні властивості сталі, такі як σ_0,2, σ_B, HRCе, але підвищується δ₅, ψ та KCU.

Технологічні властивості сталі 40Х13 вказані нижче.

Температура кування: початок 1200˚С, кінець 850˚С. Перерізи до 200 мм піддаються низькотемпературному відпалу.

Зварюваність: не застосовується для зварних конструкцій.

Оброблюваність різанням: в загартованому та відпущенному стані при НВ 340 и σ_B = 730 МПа K_{v тв.спл.} = 0,6, K_{v б.ст.} = 0,4.

В таблиці 1.4 наведено показники ударної в’язкості при температурах +20˚С; -78˚С.

Таблиця 1.4. – Ударна в'язкість, KCU, Дж/ см2

Стан постачання, термообробка	KCU, Дж/ см2, при температурі ˚С
+20	-78
Пруток діаметром 55 мм.

Границя витривалості σ _-1=370 МПа; σ _B =880МПа

Корозійні властивості сталі 40Х13 в різних активних середовищах показані в таблиці 1.5.

Таблиця 1.5. – Корозійні властивості сталі 40Х13

Середовище	Температура випробування, °С	Тривалість випробування, год	Глибина, мм/рік
H2SO4 концентрована			0,01
H2SO4 63,4 % розчин			5,27
Амміак, 24 %			0,0032

В процесі експлуатації пружина перепускного клапану зазнавала дії σ_аmax≥1000 МПа і вийшла із ладу після Nц=3*105. Робоче середовище – 65% водний розчин HNO₃, t=85˚C.

Дата добавления: 2015-08-31