автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.08, диссертация на тему:Комплексное обеспечение точности и работоспособности валов малой жесткости

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ОСНОВНЫЕ

НАПРАВЛЕНИЯ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1. Анализ отказов и повреждений технологического оборудования и причин потери точности валами малой жесткости.

1.2. Усталостное разрушение и повреждение соединения валов фреттинг-коррозией.

1.3. Прогнозирование долговечности валов по результатам ускоренных испытаний.

1.4. Постановка задачи исследования.

ГЛАВА 2. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРИЧИН ОТКАЗОВ

ВАЛОВ МАЛОЙ ЖЕСТКОСТИ.

2.1. Фрактографические исследования изломов валов.

2.2. Исследование материала и условий нагружения разрушенного вала.

2.3. Анализ напряженно-деформированного состояния валов.

2.4. Анализ точности операций формообразования валов малой жесткости.

2.4.1. Коробление валов.

2.4.2. Оценка точности технологических операций формообразования валов.

Выводы.

ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕ-СКО-КОНСТРУКТОРСКИХ МЕРОПРИЯТИЙ ПОВЫШЕНИЯ РАБОТОСПОСОБНОСТИ ВМЖ.

3.1. Экспериментальное исследование вариантов упрочняющих технологий изготовления ВМЖ на стандартных образцах.

3.2. Фрактографический анализ изломов образцов и их классификация.

3.3. Исследование валов с различными технологическо-конструкторскими параметрами в условиях эксплуатации.

3.3.1. Стенды для испытаний валов.

3.3.2. Выбор оптимальных технологических режимов старения валов.

3.3.3. Испытание валов с различными технологическо-конструкторскими параметрами в условиях эксплуатации.

3.4. Ускоренные методы испытаний на усталость ВМЖ.

Выводы.

ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ

ЗАЩИТЫ РЕЗЬБОВОГО СОЕДИНЕНИЯ МНОГОЗВЕННЫХ МАЛОЖЕСТКИХ ВАЛОВ ОТ ПОВРЕЖДЕНИЙ ФРЕТТИНГ-КОРРОЗИЕЙ.

4.1. Повреждение фреттингом и методы испытаний на фреттинг-коррозию.

4.2. Концепция защиты поверхностей трибосопряжения от фреттинг-коррозии на основе металлоплакирования и избирательного переноса.

4.3. Разработка и оптимизация состава металлоплакирующей антифреттинговой смазочной композиции.

4.3.1. Гранулометрический анализ порошка меди.

4.3.2. Оптимизация состава металлоплакирующей с антифреттинговыми свойствами смазки.

4.3.3. Разработка физико-математической модели расчета количества наполнителя низкомодульного металла при проектировании металлоплакирующих антифреттинговых смазок.

4.3.4. Расчет толщины металлоплакирующего слоя смазки для соединения, подверженного фреттинг-коррозии.

4.4. Обеспечение повышения работоспособности соединения ВМЖ.

Выводы.

ГЛАВА 5. ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО, КОНСТРУКТОРСКОГО И ТРИБОТЕХНИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ПРОГНОЗИРУЕМОЙ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ВМЖ.

5.1. Оценка показателей долговечности ВМЖ на примере вытяжных цилиндров и плющильных валов прядильных и ленточных машиншин.

5.2. Годовой экономический эффект от повышения точностей ботоспособности ВМЖ.

Развитие современной техники неразрывно связано с повышением ее качества, производительности, конкурентоспособности. Интенсификация режимов эксплуатации, а также частая смена объектов и технологий современных производств в условиях рыночной экономики приводят к необходимости обеспечения точности и работоспособности технологического оборудования как в целом, так и отдельных его элементов.

Принципиально новым направлением в современной организации работ по повышению точности и работоспособности ВМЖ является внедрение комплекса технологических и конструкторских разработок вместо отдельных разрозненных мероприятий. На необходимость комплексного подхода при рассмотрении вопросов, связанных с точностью указывалось в работах Ю.М. Со-ломенцева и В.Г.Митрофанова [1], И.Н. Маркова [2], A.B. Пуша [3], И.И. Артемова. [4].

Прогрессивными способами повышения точности и работоспособности ВМЖ являются: внедрение новых технологий, обеспечивающих повышение характеристик сопротивления усталости, уменьшение величины коробления и биения, защита резьбового соединения валов от повреждения фреттинг-коррозией. Исследования в этом направлении являются базой для разработки практических способов обеспечения требуемой точности и работоспособности ВМЖ [ 5, 6].

Актуальность работы. Ответственными элементами технологического оборудования, определяющими эффективность его эксплуатации, являются валы малой жесткости (ВМЖ). На основе изучения конструкций технологического оборудования текстильной отрасли машиностроения выявлен большой класс маложестких деталей широкой номенклатуры типа "вал": валы сплошные и из труб, шпиндели, валы оригинальной конструкции прядильного оборудования (вытяжные цилиндры, мотальные, плющильные валы и др.). Их количество на одну прядильную машину составляет до 170 единиц. Опыт эксплуатации и анализ отказов технологического оборудования прядильных производств показывает, что до 30% отказов по количеству и до 60% по времени простоя приходится на валы малой жесткости [6, 7, 8]. Замена вышедших из строя ВМЖ связана с демонтажом линии валов, а также сопрягаемых узлов и деталей, с полной или частичной потерей работоспособности оборудования. Поэтому обеспечение работоспособности валов малой жесткости представляет собой весьма актуальную задачу, особенно в условиях массового производства технологического оборудования.

Цель и задачи работы. Целью диссертационной работы является комплексное обеспечение точности и работоспособности валов малой жесткости путем разработки технологии формообразования и упрочнения поверхностей, позволяющей уменьшить величину коробления и биения, а также повысить характеристики сопротивления усталости.

При этом решались следующие задачи:

1. Анализ отказов технологического оборудования, включая исследования причин отказов и повреждений ВМЖ.

2. Выбор критерия и оценка точности формообразующих операций технологического процесса изготовления ВМЖ.

3. Обеспечение точности и работоспособности ВМЖ на основе выбора упрочняющих, формообразующих технологий, и технологий защиты поверхностей резьбового соединения от повреждений фреттинг-коррозией.

4. Разработка методик и лабораторных установок для проведения испытаний на усталость ВМЖ и оценки триботехнических характеристик металло-плакирующих антифреттинговых смазочных композиций, реализующих эффект избирательного переноса (ИП). 5. Разработка метода моделирования для определения характеристик сопротивления усталости, позволяющего производить испытания ВМЖ в ускоренном режиме.

6. Проведение испытаний на сопротивление усталости стандартных образцов, ВМЖ и испытаний металлоплакирующих антифреттинговых смазочных композиций.

Методы исследования. При решении поставленных в работе задач использовались методы теории вероятности и математической статистики, математического планирования многофакторного эксперимента, математического анализа и моделирования с применением ПЭВМ.

Экспериментальные исследования проводились на специально разработанных лабораторных установках для испытаний на усталость, четырехшари-ковой машине трения для триботехнических испытаний и реальном технологическом оборудовании. Фрактографические исследования изломов стандартных образцов, валов и поверхностей трения, подверженных фреттинг-коррозии, проводились с использованием метода электронной и рентгеномикроскопии.

Научная новизна:

1. Разработана технология формообразования и упрочнения поверхностей ВМЖ, позволяющая повысить характеристики сопротивления усталости, уменьшить величину коробления и биения и обеспечить величину биения рабочих поверхностей, согласно требованиям ГОСТ 12188.

2. Установлены оптимальные режимы упрочняющей технологии для повышения точности и сопротивления усталости ВМЖ.

3. Разработан метод моделирования для определения характеристик сопротивления усталости на основе уравнения Одинга - Вейбулла, с помощью которого можно моделировать испытания на усталость образцов и валов в ускоренном режиме.

4. Разработана и апробирована на практике физико-математическая модель расчета количества наполнителя порошковых низкомодульных металлов при проектировании нового класса металлоплакирующих смазок с антифрет-тинговыми свойствами, обеспечивающих в определенных условиях реализацию ИП - эффекта "безызносности", которая основана на решении задач теории упругости и включает расчеты характеристик контактного взаимодействия двух шероховатых поверхностей трибосопряжения (ТС). Оптимизирован состав разработанных смазочных композиций также по коэффициенту трения.

Практическая ценность работы:

1. Выявлены узлы и трибосопряжения технологического оборудования, на которые приходится наибольшее количество отказов и повреждений. Анализ точности формообразующих операций технологического процесса ВМЖ позволил выявить операции, имеющие наибольшее коробление и биение.

2. В результате разработанных технологических и конструкторских мероприятий предел выносливости увеличен с 32 до 52 МПа у валов малой жесткости длиной 1260 мм и с 25 до 47 МПа - длиной 450.700 мм.

3. Предложен метод защиты резьбового соединения валов от повреждения фреттинг-коррозией на основе разработанной металлоплакирующей смазочной антифреттинговой композиции, реализующей эффект ИП, который не требует для практического внедрения больших капитальных затрат.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Схемы исследования причин отказов и повреждений валов малой жесткости.

2. Оценка точности технологического процесса изготовления ВМЖ и разработка технологий для повышения характеристик сопротивления усталости и их точности.

3. Испытание образцов и ВМЖ на усталость.

4. Метод моделирования для определения характеристик сопротивления усталости, позволяющий производить испытания в ускоренном режиме.

5. Метод защиты резьбового соединения валов от фреттинг-коррозии на основе применения металлоплакирующей смазочной антифреттинговой композиции, реализующей эффект ИП.

6. Установление статистического закона распределения и выбор теоретического закона для расчета средних сроков службы ВМЖ и прогнозирования их потребности для гарантированного запаса на фиксируемые сроки эксплуатации, исходя из моральной долговечности.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на областных семинарах "Управление надежностью изделий в промышленности", Пенза, 1981 и "Пути совершенствования надежности современных текстильных машин и оборудования", Пенза, 1982; заседаниях кафедр "Конструкционные материалы и ремонт текстильных машин", Кострома ,1983; "Надежность машин и приборов", Пенза, 2000; на ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава 1984 -2000гг., ПГУ, Пенза; на V Международной научно-технической конференции "Точность и надежность технологических и транспортных систем", Пенза, 1999; на постоянно действующем университетском семинаре "Комплексное обеспечение показателей качества деталей в машиностроении", ПГУ (при кафедре "Проектирование технических систем"), Пенза, 2000.

Результаты проведенных теоретических и экспериментальных исследований использовались Пензенским государственным университетом при выполнении госбюджетных и хоздоговорных научно-исследовательских работ, проводившихся с заводами текстильного машиностроения (ОАО "Пензтекстильмаш", ОАО "Пензмаш", НИЭКИПМАШ, ОАО "Кузтекстильмаш" и т.д.) и с текстильными предприятиями (города Иваново, Кострома, Чебоксары, Рига, Дедовск, Сурск, Камышин и др.).

Результаты исследования использовались при разработке технического задания на модернизацию двухвыпускной ленточной машины (ОАО "Пензтекстильмаш") модели Л2-50-1М, при разработке каталогов запасных частей на ленточные машины, при создании антифреттинговой металлоплаки-рующей смазки Силимол-1 ,-2,-3 (ТУ 0254-001-02069043-93).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 работ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, общих выводов, списка литературы из 96 наименований и содержит 192. страницы машинописного текста, 59 рисунков, 25 таблиц, приложений на 58 страницах. Общий объем диссертации составил 250 страниц.

Общие выводы и рекомендации

1. Модернизированна технология формообразования и упрочнения поверхностей ВМЖ, позволяющая уменьшить величину коробления и биения и повысить характеристики сопротивления усталости.

2. Установлены причины отказов и повреждений ВМЖ технологического оборудования массового использования на текстильных предприятиях к которым относятся: усталостные разрушения из-за несовершенства технологии изготовления и конструкции валов малой жесткости, неразвинчиваемость линии валов на звенья из-за повреждения элементов резьбового соединения фрет-тинг-коррозией, биение выше допустимого из-за коробления ВМЖ, смятие резьбы из-за нерегламентированного усилия затяжки.

3. Разработана схема для анализа причин разрушений и повреждений ВМЖ, в соответствии с которой проведены: фрактографические исследования изломов; анализ точности формообразования по операциям технологического процесса; анализ химического состава и механических свойств исходного материала; условия эксплуатации и нагружения; напряженно-деформированное состояние и т.д.

4. Аналитически-экспериментальным анализом операций формообразования ВМЖ установлено, что наибольшему короблению из-за остаточных технологических напряжений валы подвержены после операций грубого шлифования, пластического деформирования (накатка рифлей, обкатка опорных шеек роликами, поверхностной закалки ТВЧ и др.). Сравнение статистических и технологических полей рассеивания биения по операциям формообразования показало, что они имеют отклонения от допустимых значений, которые устраняются холодными правками. Однако холодные правки оказывают влияние на перераспределение напряжений, что вызывает повторное коробление.

5. Силовой анализ и анализ напряженно-деформированного состояния ВМЖ показал, что изгибающие моменты и напряжения, действующие в различных сечениях вала, могут превышать расчетные значения в 3 и более раз вследствие несоосности опор, возникающей из-за погрешностей изготовления и монтажа, а также неравномерного износа опор и коробления валов в процессе эксплуатации. Поэтому валы должны иметь достаточный запас прочности.

6. На основании научно обоснованного выбора упрочняющих технологий и технологий формообразования проведены экспериментальные исследования стандартных образцов из стали 45 на усталость, по результатам которых выбран наилучший вариант, обеспечивающий напряжение предела выносливо

•Л сти а.1=54 кг/мм (состояние поставки, обкатка роликами, закалка ТВЧ, отпуск 200°С - 2 ч).

7. Результаты исследований позволили разработать рекомендации по изменению конструкции соединения и опор плющильных валов ленточных машин, произвести оптимизацию режимов старения и формообразования. Проведенные после модернизации испытания реальных валов на стендах показали, что предел выносливости ст.1 для валов длиной до 1260 мм повышается с 32 до 52 МПа для варианта: термостарение при температуре 200°С в течение 2 ч после операции грубого шлифования и модернизации конструкции хвостовика. Предел выносливости а.1 для ВМЖ (вытяжные цилиндры) длиной до 528 мм повышается с 25 до 47 МПа для варианта: технология завода ОАО "Пензмаш"; радиус галтели 1,2 мм; ликвидация поднутрений и выточек при Мкр= 10 Н-м.

8. Разработан метод моделирования для определения характеристик сопротивления усталости на основе уравнения Одинга - Вейбулла, который позволяет проводить испытания на усталость образцов и валов в ускоренном режиме. Метод дает возможность сократить объем испытаний образцов и валов до трех, (погрешность до 0,5% при равном шаге разрушающих напряжений), корректировать значения предела выносливости, задаваясь равным шагом напряжений в сторону уменьшения и увеличения предела выносливости, заданного или полученного при приближенной оценке.

9. Внедренные методики и оригинальные лабораторные установки для экспериментальных испытаний валов и образцов на усталость позволили сократить сроки модернизации и обеспечить надежную работу в условиях эксплуатации ВМЖ при заданном сроке службы, ограниченном моральной долговечностью исследуемого технологического оборудования.

10. Разработана и апробирована на практике физико-математическая модель расчета количества порошкового наполнителя низкомодульных металлов при проектировании нового класса смазок или смазочных композиций- ме-таллоплакирующих с антифреттинговыми свойствами, реализующих эффект "безызносности" (ИП), которая основана на решении задач теории упругости и включает расчеты характеристик контактного взаимодействия двух элементов трибосопряжения. Результаты испытаний опытных образцов позволили выбрать наилучший вариант, который использован при разработке смазки типа Силимол-3.

11. Получена адекватная модель зависимости момента трения от нагрузки, количественного содержания порошка меди и ПАВ (глицерин и олеиновая кислота). Установлено, что наибольшее влияние на величину момента и коэффициента трения оказывают нагрузка и содержание порошка меди; влияние глицерина и олеиновой кислоты менее значимо, однако их наличие необходимо для реализации эффекта ИП.

12. Рекомендовано заводам-изготовителям ввести в технологию сборки валов смазывание резьбовых соединений металлоплакирующей антифреттин-говой смазкой Силимол-3 для защиты трибосопряжений от фреттинг-коррозии.

13. Установлено, что фактические сроки службы ВМЖ распределены по закону Вейбулла, что согласуется с усталостным характером их разрушения.

14. Результаты и рекомендации исследований учтены:

- в модернизированной двухвыпускной ленточной машине Л2-50-1М и в технологии изготовления ВМЖ прядильного и другого технологического оборудования;

- при создании металлоплакирующей антифреттинговой смазки, реализующей эффект ИП, Силимол-1,-2,-3 (ТУ 0254 - 001 - 02069043 - 93);

- при расчете сроков службы изнашиваемых деталей для каталогов запасных частей ленточных машин.

15. Разработанные мероприятия внедрены в сферу производства и эксплуатации ленточных машин типа Л2-50-1М, что обеспечивает повышение долговечности ВМЖ (на примере плющильных валов) в 1,6. 1,9 раза и дает годовой экономический эффект 94 тыс. руб. на 1 машину.

1. Автоматизмированное проектирование и производство в машиностроении

2. Соломенцев Ю.М., Митрофанов В.Г., Прохоров А.Ф. и др.//Под общ.ред. Ю.М.Соломенцева, В.Г. Митрофанова.- М.: Машиностроение, 1986, 256 с.

3. Марков И.Н., Артемов И.И. Проявление кинематической погрешностизубчатых колес под действием нагрузок и скоростей вращения. Вестник машиностроения №3, 1986, с.21-23.

4. Пуш A.B., Юркевич, В.В., Ерошенко И.П. Прогнозирование формы деталипри токарной обработке.-Проблемы управления точностью автоматизированных производственных систем, №1-2, Пенза, 1996, с.9-11.

5. Артемов И.И. Система комплексного обеспечения точностиавтоматизированного производства зубчатых колес//СТИН №6, 1998.

6. Григорьев P.C. и др. Методы повышения работоспособности техники всеверном исполнении.- Новосибирск, "Наука", 1987, 252 с.

7. Денисова Н.Е., Артемов И.И., Шорин В.А. Улучшение эксплуатационныхсвойств валов малой жесткости.- Новые промышленные технологии.- вып. 3, Москва, 1999.

8. Шорин В.А., Мельников Е.Б. К вопросу исследования надежности ленточныхмашин.- Проблемы повышения надежности и долговечности оборудования текстильных предприятий.-Тематический сб.- Кострома, 1985.

9. Подпоркин В.Г. Обработка нежестких деталей.- Машгиз, 1959.

10. Мураткин Г.В. Повышение точности нежестких деталей типа валов путем управления их напряженным состоянием при обработке методами 1111Д.-Канд.дис.- Москва, 2000,195 с.

11. Хейлик Ю.Ш. Исследование и основы обеспечения надежной работы прядильно-крутильной машины.Канд. дис.- Кострома, 1981,290 с.

12. Севостьянов А.Г. Неровнота, обусловленная дефицитами вытяжного прибора. "Технология текстильной промышленности", 1960, №5.13,14,15,1617,18