Сопоставительная оценка расчетных и экспериментальных данных о напряженно-деформированном состоянии арочных зубьев колес цилиндрических передач

К. В. Сызранцева; Д. С. Колбасин

doi:10.22213/2413-1172-2021-1-45-52

Авторы

К. В. Сызранцева Тюменский индустриальный университет, Тюмень
Д. С. Колбасин Тюменский индустриальный университет, Тюмень

DOI:

https://doi.org/10.22213/2413-1172-2021-1-45-52

Ключевые слова:

зубчатые передачи, арочные зубья, напряженно-деформированное состояние, ANSYS, электротензорезисторы

Аннотация

Зубчатые передачи с круговой (арочной) формой зуба обладают повышенной нагрузочной способностью, а также способностью к самоустановке в условиях нежестких корпусов. По этой причине они являются более предпочтительными в тяжелонагруженных трансмиссиях тяговых машин. Выполненные ранее исследования позволяют определять оптимальную геометрию поверхностей арочных зубьев, обеспечивающую максимальную контактную выносливость передач в заданных условиях эксплуатации. Но для передач, зубья которых подвергнуты термоупрочнению, наиболее важным критерием становится изгибная прочность зубьев, оцениваемая по напряжениям растяжения в корне зуба.

Проведен конечно-элементный анализ напряженно-деформированного состояния арочного зуба передачи локомотива в программном комплексе ANSYS при его нагружении в вершине с распределенной нагрузкой, полученной из решения контактной задачи аналитическим методом. Проведены расчеты суммарных перемещений и главных напряжений, характеризующих растяжения в металле и отвечающих за появление и рост усталостных трещин, для двух вариантов нагружения – с выпуклой и вогнутой сторон зуба. Рассмотрено сопоставление результатов конечно-элементного анализа и данных тензометрирования арочных зубьев в виде напряжений в корне зуба на сжатой и растянутой сторонах. Показано их хорошее согласование: максимальное расхождение между показаниями тензорезисторов и растягивающими напряжениями, усредненными по базе тензорезисторов, составило 11,22 %. Вследствие данного усреднения фактические напряжения в корне зуба могут оказаться выше, что следует принимать во внимание при дальнейших исследованиях изгибной прочности и надежности зубчатых передач. Для более полной картины распределения деформаций и напряжений в проектируемых деталях будет более рациональным проводить оба исследования – и компьютерное моделирование, и стендовые испытания натурных образцов, а затем – согласование их результатов.

Библиографические ссылки

Chang Q., Hou L., Li B., Jia1 B. Modal analysis of cylindrical gears with arcuate tooth trace. Periodica Polytechnica Mechanical Engineering, 2015, no. 59, pp. 23-29. DOI: 10.3311/PPme.7540.

Jiang Y Q., Hou L., Zhao Y. The equation of the contact line of the involute curvilinear-tooth cylindrical gear pump for the agricultural tractor. Open Mechanical Engineering J., 2014, no. 8, pp. 879-884. DOI: 10.2174/1874155X01408010879.

Syzrantseva K., Syzrantsev V., Babichev D. Comparative analysis of stress-strain condition of cylindrical gears arc teeth and spurs. Lecture Notes in Mechanical Engineering, 2020, vol. 1, pp. 101-108. DOI:10.1007/978-3-030-22041-9.

Syzrantseva K.V., Syzrantsev V.N., Kolbasin D.S. Comparative estimation of the failure probability of cylindrical arc and helical gears by tooth bending endurance. Mechanics, Resource and Diagnostics of Materials and Structures (MRDMS-2019): Proc. of the International Conference. Ekaterinburg, 2019, vol. 2176, Article 020010. DOI: 10.1063/1.5135122.

Сызранцев В. Н., Сызранцева К. В. Цилиндрические передачи с арочными зубьями: геометрия, прочность, надежность : монография. Тюмень : ТИУ, 2021. 170 с. ISBN 978-5-9961-2378-0.

Syzrantseva K.V., Syzrantsev V.N., Il’inykh V.N. Assessment of the probability of failure-free operation of the drilling rig top drive system gearbox by nonparametric statistics methods. Science and technologies in geology, exploration and mining: Proc. of 19th International multidisciplinary scientific geoconference. Albena, Bulgaria, 2019, 30.06 - 06.07, pp. 87-94.

Liu Y., Zhang J., Zhao X. A new nonparametric screening method for ultrahigh-dimensional survival data. Computational Statistics and Data Analysis, 2018, vol. 119, pp. 74-85.

Baptista S.D., Chanussot J., Favre A.-C., Borgnat P. A nonparametric test for slowly-varying non stationarities. Signal Processing, 2018, vol. 143, pp. 241-252.

Кошкин Г. М. Гладкое непараметрическое оценивание функции интенсивности отказов и ее первых двух производных // Известия высших учебных заведений. Физика. 2016. Т. 59, № 6. С. 70–78.

Голофаст С. Л., Шоцкий С. А. Вероятностный подход к оценке прочности температурно-деформируемых участков подземных трубопроводов // Экс-позиция нефть и газ. 2018. № 5 (65). C. 51–56.

Jia F., Hou L., Wei Y., Li B., You Y. Modelling and bending strength analysis of cylindrical gears with arcuate tooth trace. Australian J. of Mechanical Engineering, 2015, vol. 13, pp. 77-86. DOI: 10.7158/

M13-068.2015.13.2.

Cherniavsky Alexander. Crack Patterns under Mechanical Loading. Procedia Engineering, 2017, 206, 163-168. 10.1016/j.proeng.2017.10.454.

Mohammed A M., Kulkarni A.S., Sathiya P. Finite element modelling and characterization of friction weld-ing on UNS S31803 duplex stainless steel joints. Engineering Science and Technology, 2015, vol. 18, no. 4, pp. 704-712. DOI:10.1016/j.jestch.2015.05.002.

Aлбагдади Б. М. Х., Чернявский А. О. Сравнение критериев моделирования разрушения трубопроводов методом конечных элементов // Вестник Южно-Уральского государственного университета. Машиностроение. 2017. Т. 17. С. 13–20.

Krishnan L. Analytical modeling of FRP con-fined R.C. Column using ANSYS. International J. of Applied Engineering Research (IJAER), 2015, vol. 10, no. 38, pp. 28156-28161.

Belyaev A.I., Siritsyn A.I., Siritsyn D.A. Wear and fatigue resistance of arched gear teeth in flexure. Russian Engineering Research, 1997, no. 17, pp. 6-9.

Sun Z., Hou L., Wang J., Li W., Chang Q. Contact strength analysis of circular-arc-tooth-trace cylindrical gear. J. of the Brazilian Society of Mechanical Sciences and Engineering, 2016, vol. 38, pp. 999-1005.

Tang Y., Liu Q.Y., Xie C., Chen S.W. Study on stress distribution of a subsea Ram BOP body based on simulation and experiment. Engineering Failure Analysis, 2015, vol. 50, pp. 39-50. DOI: 10.1016/j.engfailanal.

12.018.

Wei Y., Ma D., Wu Y., Luo L., Bai Q., Hou L. Study on the tooth surface and curvature characteristics of cylindrical gear with variable hyperbolic arc-tooth-trace. Advanced Engineering Science, 2017, vol. 49, pp. 196-203. DOI: 10.15961/j.jsuese.201700372.

Burkov P.V., Burkova S.P., Knaub S.A. Stress and strain state analysis of defective pipeline portion. IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering, 2015, vol. 91. DOI:10.1088/1757-899X/91/1/012055.

Syzrantseva K., Dvoynikov M. Computer Analy-sis of Durability and Leakproofness of Multilateral Junction of Wells. IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering, 2016, vol. 142. DOI:10.1088/1757-899X/142/1/012118.