автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.03, диссертация на тему:Оптимизация предельных и допускаемых значений структурных параметров технического состояния элементов машин

МОРДОВСКИЙ ОРДЕНА ДРУЖШ НАРОДОВ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени Н.П.ОГАРЕВА

РГ6 ОД 2 6 ДПР 1993

На правах рукописи

МАРТЫШКИН АНАТОЛИИ ГЕТРОЭДЧ

УДК 631.3.004.67

ОПШМИЗАДИЯ ПРЕДЕЛЬНЫХ И ДОПУСКАЕМЫХ ЗНАЧЕНИЙ

СТРУКТУРНЫХ ПАРАМЕТРОВ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ

ЭЛЕМЕНТОВ МАШИН

(На примере основных сопряжений масляного насоса дизеля Д-240)

Специальность 05.20.03 - эксплуатация,восстановление и ремонт сельскохозяйственной техники

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

САРАНСК - 1993

Работа выполнена на кафедре технологии металлов и ремонта машин Мордовского государственного университета

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор Лезин П.П.

Научный консультант - доктор технических наук, Челпан Л.К.

Официальные оппоненты - доктор технических наук,

профессор Лисунов Е.А.; кандидат технических наук, доцент Савельев А.П.

ведущее предприятие - ШГО "Ремдеталь"

Защита состоится " Я 1У93 г. в с^У ч на засе-

дании специализированного совета К-063.72.05 Мордовского ордена /ФУ*бы народов государственного университета имени Н.П.Огарева по адресу; 430904, г.Саранск, п. Ялта, ул. Российская, 5. Агропромышленный институт, факультет МЭСХ. .

.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан " (2 -И /сС.У-Р 1У93года.

Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенный печатью, просим направлять ученому секретарю специализированного совета Мордовского госуниверситета по защите кандидатских диссертаций.

Ученый секретарь специализированного совета, кандидат технических наук

доцент

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАЮ ТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ. Существующие технические требования на капитальный ремонт наши включают систему допускаемых параметров элементов - размеров деталей, зазоров в соединениях и др. Данная система базируется на предельных величинах этих параметров и во многом определяет эффективность и качество проведения ремонта техники.

Применяемые в настоящее время значения предельных и допускаемых параметров элементов машин, полученные по различным методикам, зачастую дают противоречивые рекомендации. В связи с этиа существует необходимость уточнения получаемых результатов с учетом вариаций предельного и допускаемого отклонений параметров и влияния конструктивных и эксплуатационных факторов на изменение технического состояния элементов.

Одним из подходов, позволявших решить данную проблему, является установление предельных и допускаемых значений параметров в результате проведения оптимизации по критерии, учитывавшему технико-экономические показатели устанавливаема значений параметров. Данный подход не исчерпал свои возможности, следовательно методики, построенные на его основе, могут дополняться и совершенствоваться. Поэтому тема, предполагающая проведение уточнения предельных и допускаемых значений структурных параметров элементов иаоин, с разработкой соответствующей методики,является актуальной.

ЦЕЛЬ ИССЛЕДОВАНИЯ. Повышение эффективности использования агрегатов и узлов автотракторных двигателей после ремонта на основе оптимизации предельных и допускаемых значения структурных параметров элементов.

ОБЪЕКТ ИССЛВДОВЙШ - масляный насос двигателя Д-240 и основные его элементы.

НАУЧНАЯ НОВИЕНА. Получены зависимости предельных и допускаемых отклонений параметров элементов от вариаций предельного параметра и ресурса для законов распределения нормального и Вейбулла, обеспечивающие гарантированную наработку элемента с задаваемым показателен безотказности в межремонтном периоде.

3 результате проведения сравнительного анализа методик определения допускаемых отклонений параметров, установлены области сходимости получаемых по ним результатов.

Обоснованы целевые функции для назначения предельных и допускаемых отклонений параметров в условиях неопределённости по критерию минимума среднего суммарного риска с учетом априорных вероятностей принятия ошибочных решений первого и второго рода при распознавании технического состояния элементов.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ. Установлены оптимальные значения предельных и допускаемых зазоров, характеризующих техническое состояние основных сопряжений масляного насоса двигателя Д-240, что обеспечивает повышение надегности его работы в межремонтном периоде.

Выявлено влияние размеров основных сопряжений исследуемого шестеренного насоса на его производительность.

Разработанные методические рекомендации могут применяться для уточнения предельных и допускаемых значений параметров элементов других узлов и агрегатов дизельных двигателей.

ВЩЦРШИЕ. Результаты исследований используются при разработке технических требований на капитальный ремонт дизельных двигателей в ГОСНИТИ, реализованы в Краснослободскои РЕП Иордовской ССР, а таете в курсах лекций и при постановке лабораторных работ по дисциплине "Надежность и ремонт машин" в Мордовской госуниверситете км. Н.П.Огарева.

АПРОБАЦИЯ. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и были одобрены на областной научно-технической конференции "Методы и средства повышения надежности Машиностроительных изделий" (Саранск, 1989 г.); научно-технической конференции "Обеспечение надежности сельскохозяйственной техники® (Саранск, 1990 г.); научной конференции профессорско-преподавательского состава Мордовского госуниверситета(Саранск, 1991 г.); научно-технической конференции "Эффективность использования машиностроительного оборудования" (Саранск, 1991г.); заседаниях кафедры технологии металлов и ремонта машин Мордовского госуниверситета.

ПУБЛИКАЦИИ. Основное содержание диссертации опубликовано в шести печатных работах.

СТРУКТУРА И ОБЫ£М РАБОТЫ. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, списка использованной литературы и приложений. Она изложена на 194 страницах машинописного текста и включает 22 иллюстрации, 5 таблиц, 163 наименования библиографии и 10приложений.

СОДЕРЮЙИЕ РАБОТЫ

В ПЕРВОЙ ГЛАВЕ, "Состояние вопроса и задачи исследования", проанализированы основные работы по обоснованию предельных и допускаемых значений параметров элементов ыаяин, основанные как на инженерном анализе отказов, так и на технико-экономических разработках. Когда элемент обладает прогнозируемым параметром, имеется резерв снижения затрат на обслуживание и ремонт, который реализуется путей установления предельных и допускаемых значений параметров, таких как износ деталей, зазор сопряжений, производительность и др.

В области сельскохозяйственной и автотракторной техники научному определении предельных и допускаемых параметров элементов посвящены исследования Л.Е.Агеева, В.Н.Артемьева, Ф.Х.^груы-кулова, Г.В.Веденяпина, А.С.Гальперина, Л.В.Дехтеринского, Н.С. йдановского, Г.С.Игнатьева, С.А.Иофинова, В.И.Каэарцева, Р.Н.Ко-легаева, Р.В.Кугеля, П.П.Лезина, Е.А.Лисунова, В.М.Лившица, В.И. Михлина, А.Ш.Рабиновича, А.А.-Сельцера, Л.К.Чвлпана, В.И.Черноива-нова и других ученых.

По результатам анализа состояния вопроса установлено, что основными критериями оптимизации предельных и допускаемых параметров являются технические, технико-экономические и экономические, такие как вероятность безотказной работы, минимум суммарных удельных вероятных издериек или суммарных эксплуатационных затрат, минимум среднего удельного риска.

До настоящего времени затруднено уточнение предельных значений параметров элементов машин, используемых в сельскохозяйственном производстве, в связи с несоответствием момента достижения параметром элемента предельной величины и объективной потерей работоспособности составной части.

При оптимизации допускаемого значения параметра учитываются характеристики его изменения в зависимости от наработки, а так как динамика может варьироваться под влиянием различных фак-

тйров (и том числе эксплуатационных условий), получаемые значения, являясь оптимальнши для определенной статистической совокупности, кс всегда оптимальны для отдельных реализаций.

В соответствии с поставленной целью сформулированы следующие основные задачи исследования:

1. Разработать методику определения предельных и допускаемых значений параметров элементов с задававши показателей безотказности и провести сравнительный анализ полученной методики с существующими.

2. Обосновать критерий и разработать методику оптимизации, предназначенную для уточнения предельных и допускаемых значений параметров элементов. Создать программное обеспечение для систе-кы автоматизированной разработки (САР) технических требований

на ремонт дизельных дзигателей.

3. Определить экспериментально характеристика динамики параметров элементов исследуемого объекта в эксплуатационных условиях.

4. Определить уточненные значения предельних и допускаемых з&зоров основных сопрякений масляного насоса двигателя Д-240 по разработанной методике, выявить их влияние на производительность масляного насоса.

5. Провести производственную проверку результатов исследования к оценить экономическую эффективность от их внедрения.

ВТОРАЯ ГЛАВА, ы Теоретические исследования", посвящена разработке методик определения предельного и допускаемого отклонений параметра, обеспечивавши задаваемую вероятность безотказно,". ра^оги элемента в межремонтной периоде, а ?вкже уточнения их значений с учетом вариаций предельного параметра, рзеурса и д!з:едшкм параиегра в эксплуаг&ции.

Сзкзь мегду величиной предельного отклонения параметра элемента и его отказом в болылкнстве случаев косит вероятностный характер. При известных характеристиках распределения предельного отклонения ¡¿окно определить доверительные границы его возиож-кого рассеивания. Задаваемая нихняя граница при этой определяет требуему» вероятность безотказной работы элеыенга при достижении предельного состояния.

В результате получена формула для расчета предельного отклонения параметра с требуемой вероятиостьл безотказной работы 6

где ЦПт1п - минимальное значение предельного отклонения параметра элемента;

"Х(Р," значвнив функции, зависящей от вероятности безотказности £ и вариации предельного отклонения параметра 1ГП .

При этом значения ЦПтЛ и определяется по зави-

симостям

"Ч*. = ¡¡Л1 - «Я»») V,] -- • (2)

где ап - среднее значение предельного отклонения параметра; Мк - квантиль закона нормального распределения; ■Апл* - значение доверительной вероятности,, определяющей ^««ш *

^а - вариация предельного отклонения параметра.

Для определения нормированного (в долях предельного) допускаемого отклонения параметра, обеспечквапцего безотказную наработку элемента в межремонтном периоде с задаваемой вероятностью, когда распределение его ресурса подчиняется нормальной/ закону (ЗШ), получена зависимость

чС*

ъ=и- 1

То То 00

а для закона распределения Вейбулла (ЗРВ)

тог.

1

1

(4)

(5)

гдеХ"Т/1м - нормированный средний ресурс элемента;

- межремонтная наработка машмы; Ш=Т(>УТ " нормированный ресурс, зависящий от задаваемой

7

вероятности безотказности Л" ; - показатель динамики параметра;

*-0<иЛм- ноРшФованное значение величины смещения начала рассеивания (для ЗРВ).

Значения предельных и допускаемых параметров элементов устанавливаются с учетом номинальных (начальных) их величин и показателей приработки.

Проведен сравнительный анализ разработанной и существующих методик определения допускаемых параметров элементов, отличающихся применяемыми критериями. При этом выявлены условия и установлены области сходимости получаемых результатов.

Увеличение вариации ресурса элемента приводит к снижению допускаемого отклонения параметра в большей степени при использовании технического критерия , чем технико-экономического. Повышение издержек, связанных с устранением последствий отказов в эксплуатации, обусловливает тенденцию к сходимости результатов. Применение технико-экономических критериев предопределяет экономическую эффективность устанавливаемых допусков.

Изменение параметров состояния элементов машин является стохастическим процессом. При прогнозировании по реализации имеет место некоторая случайная ошибка Ъ , характеризующая отклонение величины фактического изменения параметра от теоретического в связи с нестабильностью внешних эксплуатационных факторов. Предельное отклонение параметра также является случайной величиной.

В результате проведенных исследований выявлено, что при контроле элементов, когда производится распознавание их технического состояния, могут иметь место неопределенности, зависящие от вариаций предельных отклонений параметров, ресурсов элементов и фактических отклонений параметров от теоретических реализаций.

Границы областей неопределенности при распознавании предельного или допускаемого состояний элементов формируются минимальными и макс шальными возможными значениями предельного и допускаемого отклонений параметров, которые имеют место при наличии пересекающихся условных распределений $(и.|6<) и^(Ц|0г), описывающих классы годных и негодных 62. , или работоспособных (исправных) и неработоспособных (неисправных) при соответствующих распознаваниях элементов.

Если элемент, принадлежащий к классу 81 относят к классу 02 , то имеет место ошибочное решение первого рода и,наоборот, если элемент, принадлежащий к классу б2 относят к классу б! -ошибочное решение второго рода в условиях неопределенности предельного или допускаемого отклонений параметров.

Используя ■ качестве критерия минимум среднего суммарного риска при принятии ошибочных решений, сформулированы целевые функции оптимизации, которые в общем виде выражены следующим образом.

1. Целевая функция оптимизации предельного отклонения параметра

ШгО =тШ [с,Рокадой], (6)

и« „и*

где С4 , С2 - потери, связанные с ошибочными решениями первого и второго рода соответственно при распознавании предельного состояния элемента;

Р1 (11 ^ безусловные априорные вероятности принятия со-

ответствующих ошибочных решений.

2. Целевая функция оптимизации допускаемого отклонения па-

раметра

R(D) =.mln [C^ÎD) + C^(D)].

W»«»....

где С( . С2 - потери,связанные с ошибочными решениями первого н второго рода соответственно при распознавании допускаемого состояния элемента; - безусловные априорные вероятности принятия соответствуй*» овибочных решений.

В данных выражениях первое слагаемое представляет средний риск при принятии ошибочного решения первого рода, а второе -средний риск при принятии ошибочного решения второго рода. Сумма этих слагаемых характеризует суммарный средний риск принятия ошибочных решений при распознавании состояния элемента.

На рис. I показана схема оптимизации допускаемого и предельного отклонений параметров элементов по принятому критерии.

о

Оптимизация допускаемого и предельного отклонений параметров элементов по критерию минимума среднего

Рис. I

Исходные данные, необходимые для расчета, определяются в результате проведения испытаний и эксплуатационных наблюдений, исследований ремфонда или из литературных источников по ранее проводшш исследованиям.

И ТРЕТЬЕЙ ГЛАБЕ, "Методика экспериментальных исследований", изложена методика сбора и обработки информации по динамике параметра состояния элементов масляного насоса двигателя д-240, определения влияния зазоров основных сопряжений насоса на его производительность.

Экспершентальные исследования проведены в эксплуатационных условиях, Кадошкинском и Краснослободском РТП Мордовской ССР, а также лабораториях кафедры технологии металлов и ремонта машин Мордовского госуниверситета,испольвоваш данные ГОСНИТИ.

В методике дамы основные положения, касающиеся проведения мнкроыетрирования рабочих поверхностей деталей, сбора и обработки информации для получения характеристик динамики параметров состояний элементов, в том числе показателей вариации фактического отклонения параметра от теоретической реализации,ресурса, отклонения параметра в доремонтиом и межремонтном периодах и предельного его отклонения.

Исследования по определенно влияния зазоров сопряжений шестеренного насос« на его производительность проведены на испытательном стенде КИ-5278, ускоренные ресурсные испытания проводились совместно с двигателем Д-240 на стенде - гидротормозе модели 5№А.

ЧЕТВЕРТАЯ ГЛАВА, "Результаты экспержентальных исследования", содержит получешше в результате обработки данных эксплуатационных наблюдений и испытаний характеристики и показатели распределений изнашивания, предельного износа и ресурса основных сопряжений масляного насоса двигателя Д-240. Данные характеристики включают; среднее значение показателя скорости изнашивания Шу , его вариацию 1ГИ , среднюю величину износа сопряжений в доремонтном |19 и (1„ межремонтном периодах и их вариацию Уц , среднее квадратическое отклонение фактического износа от теоретической реализации Уг в долях изменения параметра, среднее значение ресурса сопряжения и его вариацию V , среднее значение предельного износа ип и его вариацию .

На рис. 2 представлены распределения отклонения величины фактического износа от теоретического $ (г) и предельного износа $(ц„) осевого сопряжения корпус .насоса - нагнетающие шестерни.

Распределения осевого

износа сопряжения корпус насоса -шестерня ведущая, ведомая

Р

-ДО! О +С,0{ г.ММ 0,15 0,10 0,15 0,30 и, ММ

а) распределение отклонения фактического износа от теоретического;

б) распределение предельного износа.

Рис. 2

На основании полученных результат )в экспериментальных исследований определены предельные и допускаемые параметры сопряжений масляного насоса, обеспечивающие задаваемое значение показателя безотказности. Оптимальные величины предельные и допускаемых параметров сопряжений рассчитаны с применением разработанного программного обеспечения, реализуемого на ПЭВ.и типа IM ГС/ХТ и входящего в САР технических твебований на капитальный ремонт (ТТКР) дизельных двигателей.

В диссертации представлены результаты расчета по.разработанной методике на основе целевых функций (6) В (7). Проведен сравнительный анализ полученных результатов с предельными и допускаемыми значениями параметров основных сопряжений,рекомендуемыми в ТТКР.двигателя Д-240. Определено, что оптимальное значение предельного осевого зазора сопряжения корпус насоса -шестерня ведущая (ведомая) соответствует величине 0,335 мм и отличается от рекомендуемого на 0,005 мм в сторону увеличения. Оптимальное значение диаметрального зазора того же сопряжения соответствует 0,465 мм и отличается на 0,085 мм в сторону уменьшения.При этом полученная разность превышает суммарные оии4ки, имеющие место при определении данных зазоров, что обусловливает целесообразность изменения указанных предельны< ааворов в соответствии с результатами оптимизации.

Оптимальные допускаемые зазоры в приведенных сопряжениях очень незначительно отличаются от рекомендуемых в ТТКР (не выводят за пределы суммарных погрешностей измерений и эксперимента), вследствие чего их следует оставить прежними.

По результатам оптимизации предельные значения зазоров в сопряжениях втулка крышки (корпуса) - валик насоса и втулка ведомой шестерни -. палец, практически совпадают с рекомендуемыми. Но при этом допускаемые их оптимальные значения несколько меньше данных в ИКР на величину, превыщающую суммарную погрешность эксперимента и измерений. Следовательно,они должны быть изменены в соответствии с результатами оптимизации в иметь величину 0,13 мм.

Как предельное, так и допускаемое оптимальные значения толщины зубьев шестерен (по делительной окружности).отличаются от рекомендуемых и соответственно равны 4,18 мм и 4,67 мм.

Выявлено, что результаты оптимизации способствуют росту

вероятности безотказной работы масляного насоса в межремонтном периоде двигателя.

Определено влияние размеров основных сопряжений шестеренного насоса на его производительность. При этом наибольшее влияние (4Ь% ) иа снижение объемной подачи оказывает увеличение осевого зазора сопряжения корпус насоса - нагнетающие шестерни (рис.. 3).

Влияние осевого зазора в сопряжении корпус насоса - шестерня ведущая, ведомая на его производительность

V

36,0

.15,6

3 s,z ■ЗМ

ми

У объемная подача насоса (л/мин);

S - величина зазора.

Рис. 3

Результаты оптимизации подтверждены экспериментальной производственной проверкой. Их применение при капитальном ремонте обеспечивает экономический эффект 38 руб. в год (в ценах 1уу2 года) на один ремонтируемый масляный насос. ■

ООЮШЫЕ ШВОДМ ■ ' ■•••

i. На основе проведенных исследований установлено, что одной из причин отказов составных частей отремонтированных автотракторных двигателей является неточность применяемых при капитальном ремонте предельных и допускаемых значений параметров . элементов. Отчасти это зависит от того, что предельные отклоне-

13

кия параметров, обусловливавшие отказ« являются случайными величинами, а динамика параметров варьируется в связи с нестабильностью и вероятностным характером условий эксплуатации.

При контроле элемента по параметру, когда производится распознавание технического состояния, ногут иметь место неопределенности, зависящие от вариации предельного отклонения параметра, ресурса и фактического отклонения параметра от теоретической реализации. Границы областей неопределенности при распознавании предельного или допускаемого состояний элемента формируются минимально н наксш&лышм возможными значениями предельного и допускаемого отклонения параметра.

2. Использование разработанных методик определения предельных и допускаемых отклонений параметров элементов с задаваемым значением показателя безотказности позволяет устанавливать величии предельных н доцускаешх параметров элементов дизелей и кх агрегатов, обеспечивающие гарантированную безотказную наработку в очередном межремонтном триоде с задаваемой вероятность*.

З.В результате сравнительного анализа методик определения допускаемого отклонения параметра выявлено, что расхождение результатов, полученных по разработанной и используема! в настоящее время методикам составляет 10...30% при показателе степами функции изменения параметра 1,0...2,0. Увеличение издержек,связанных с устранением последствий отказов в эксплуатации по отношению к издержкам на предупредительную замену (восстановление) в 3 раза н более обусловливает максимальную сходимость результатов.

4. Для оптимизации предельных и допускаемых отклонений параметров в условиях неопределенности обоснованы и сформулированы целевые функции оптимизации. В качестве критерия принят минимум среднего сушарного риска при принятии ошибочных решений. При этом определяются априорные вероятности принятия ошибочных реяеннй первого и второго рода, заключающиеся в выбраковке работоспособного и невыбраковке неработоспособного на очередной межремонтный период элемента. Потери, связашше с ошибочными решениями, соответствуют издержкам на предупредительную замену элементов и устранение последствий отказов в эксплуатации.

5.В результате проведения исследований определено, что вариация предельных значений изяосов основных сопряжений масляыо-

го насоса дизеля Д-240 равна Л(л = 0,08. ..0,11; вариация фактического отклонения их износа от теоретической реализации Ут = 0,08. ..0,11; вариация ресурса V - 0,17...0,21 н вариация износа в эксплуатации до капитального ремонта достигает величины = 0,32.

о. Исследовано изменение производительности масляного насоса дизеля Д-240 в зависимости от зазоров основных сопряжений. При этом установлнно, что снижение производительности зависит от осевого зазора в сопряжении корпус насоса - нагнетающие шестерни на 45%; от диаметрального зазора в данном сопряжении на 29;£; зазора з сопряжении втулка крышки (корпуса)--валик насоса - 17? и втулка ведомой шестерни - палец насоса -Практически не влияет на изменение производительности износ зубьев нагнетающих шестерен по толщине.

7. Суммарная экономическая эффективность ст внедрения разработанных рекомендаций лри использовании оптимальных предельных и допускаемых зазоров основных сопряжений масляного насоса дизеля Д-240 составляет ЗсЗ руб на одно изделие (з це-на.с 2 кв. 1992 г) за год эксплуатации.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. ¡Имитационная система анализа надежности машин и технологического оборудования на СМ ЭВМ // Йетоды и средства повышения надежности машиностроительных изделий: Тез.докл.научно-техн. конф./ Мордой, госун-т. - Саранск, 1989. - С. 61-62. (Соавторы Лезин П.П., Чугунов М.З.).

2. Оптимизация допускаемых параметров деталей машин при капитальном ремонте /У Обеспечение надежности сельскохозяйственной техники: Тез.докл. научно-техн. конф./ Мордов. госун-т.-Саранск, 1990. - С. 67-68.

3. Сравнительный анализ методик оптимизации допустимых параметров элементов машин // Эффективность использования машиностроительного оборудования: Тез. докл. научно-техн. конф. /Мор-дов. госун-т. - Саранск, 1991. - С.7-8. (Соавтор Лезин П.П.).

4. Оптимизация допускаемых параметров деталей машин по критерию минимума среднего риска // XX Огаревские чтения: Тез. докл. научн. конф. / Ыордов. госун-т. - Саранск, 1991. - С. 115-116.

5. Установление предельнвх и допускаемых отклонений параметров элементов машин // Эффективность использования машиностроительного оборудования: Тез. докл. научно-техн. конф. / Мор-дов. госун-т.- Саранск, 19У1. - С. 45-46.

6. Оптимизация предельных и допускаемых отклонений параметров элементов машин // Эффективность использования машиностроительного оборудования: Тез. докл. научно-техн. конф./ Нордов, госун-т. - Саранск, 1991. - С. 51-52.