автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.07, диссертация на тему:Повышение эксплуатационной надежности автоматизированного технологического оборудования на основе управления процессами в трибосопряжениях

¿г/

# / V ..... ^ /' ^ / . ^

Саратовский государственный технический университет

На правах рукописи

КРИВОШЕИМ Юрий Александрович

штшш ташкшшт нщиюсго

АБШТИЗИРСВАННОШ Ш0Л0ГИШ0Г0 ОБОРУДОВАЛИ

НА ОСНОВЕ УПРАВЛЩШЯ ПРОЦЕССАМИ В ТРШОСОПРЯШШ

Специальности 05«13.07 - Автоматизация технологических

процессов и проиеводств и 05,03,01 - Процессы механической и физико-технической обработки, станки и инструмент

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических: наук

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор В,Г, Куралов Научный консультант: кандидат технических наук, доцент М«В. Виноградов

Саратов 1У99

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ ЙП - избирательный перенос; МРС - металлорежущий станок; ПАВ - поверхностно-активное вещество; СМ - смазочный материал; СК8 - среднеквадратическое значение; ТО - технологическое оборудование; ТС - трибосопряжение;

ФАБО - финишная антифрикционная безобразивная обработка; КАВ - химически-активное вещество;

V - коэффициент динамической вязкости; р - контактное давление;

Р - контактное усилие прижатия элементов трибосопряжения;

V - скорость скольжения;

5 - площадь поверхности трения;

1. - время;

Т - температура;

т - сопротивление сдвигу;

Гт ~ сила трения;

£ - коэффициент трения;

f - частота переменного процесса;

х у2 - координаты пространства;

X,У - входные и выходные параметры системы;

2}Ь - величина износа;

ик - контактное электрическое напряжение;

Рк - контактное электрическое сопротивление;

1К - контактный ток;

Ну, - микротвердость;

4 - коэффициент упругого скольжения;

1с - относительное скольжение;

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ ................... ........ 5

1. АНАЛИЗ МЕТОДОВ ОБЕСПЕЧЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ ТРИБОСОПРЯЖЕНИЙ УЗЛОВ

И МЕХАНИЗМОВ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ .........11

"1.1. Связь надежности технологического оборудования с характеристиками трибосопряжений ...... ...... 11

1.2. Технологическое обеспечение качества поверхностей элементов трибосопряжений ................ 24

1.3. Диагностирование трибосопряжений ..... ...... 35

1.4. Основные требования к трибосопряжениям автоматизированного технологического оборудования. Постановка задачи исследования ...................44

2. МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ В ТРИБОСОПРЯЖЕНИЯХ ДЛЯ ОРГАНИЗАЦИИ УПРАВЛЕНИЯ ПО СТОХАСТИЧЕСКИМ ПАРАМЕТРАМ ИХ СОСТОЯНИЯ . . .. 49

2.1. Аналитическая модель трибосопряжений на основе энергетического подхода ................... 49

2.2. Структурная модель трибосопряжения как системы автоматического управления ...... .......... 72

3. Модель формирования поверхностных слоев ........ 76

.4. Модель диагностирования трибосопряжений и идентификации их состояния по интегральным стохастическим показателям ........................ 82

2.5. Выводы ........................ 94

МЕТОДИЧЕСКОЕ И АППАРАТНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО КОНТРОЛЯ И ДИАГНОСТИРОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ В ТРИБОСОПРЯЖЕНИЯХ .. 96 3.1. Методика исследования процессов контактных взаимодействий элементов трибосопряжений для диагностики их состояния ....................... 96

О

. О «

3.2. Разработка экспериментамно-аналитической модели токопроводящего трибосопряжения ........... 111

3.3. Экспериментальные исследования корреляции параметров •трения модельных трибосопряжений ........... 118

3.4. Разработка методики диагностирования состояния трибосопряжений по интегральным показателям . . . . . . .. 123

3.5. Выводы ................................131

4. УПРАВЛЕНИЕ ПРОЦЕССАМИ В ТРИБОСОПРЯЖЕНИЯХ Ф0Ш00БРАЗУЩИХ

УЗЛОВ ЖТАМОРЕЖУЩМХ СТАНКОВ ............... 132

4.1. Практическая реализация технологических способов управления физико-техническими процессами в трибооо-пряжениях ................ ..... . 133

4.2. Экспериментальное исследование трибосопряжений из материалов, полученных методами порошковой металлургии. 140

4.3. Экспериментальные исследования гальванических покрытий .... ..... ................ 149

4.4. Экспериментальные исследования процессов приработки элементов трибосопряжений .............. 154

4.5. Повышение надежности автоматизированных металлорежущих станков на основе контроля и диагностики элементов трибосопряжений ....... ..... ....... 171

ЗАКЛЮЧЕНИЕ .......................... 194

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ .............. 195

ПРИЛОЖЕНИЯ .......................... 212

ВВЕДЕНИЕ

Одной ив главных проблем современного машиностроения яЕЛяет-ся проблема повышения надежности и долговечности машин. Высокие требования, предъявляемые к выпускаемым машинам и автоматизированному технологическому оборудованию, е значительной мере обеспечиваются эксплуатационными свойствами их деталей и узлов.

Одним из главных направлений научно-технического прогресса в станкостроении является повышение ресурса и эксплуатационной надежности станков, систем, узлов и шмплектующих изделии [1461.

Процессы, снижающие надежность механических узлов, принято классифицировать на быстропротекающие, средней скорости и медлен-нотекущие. К последним относят процессы старения и изнашивания деталей трибосопряжений (ТО). Значительная часть отказов металлорежущих станков ÇMPC) и автоматизированного технологического оборудования (ТО) связана с процессами в ТС формообразующих узлов, таких как передачи винт-гайка, направляюще, фрикционные передачи и других, входящих в замкнутые контуры регулирования приводов, нарушение характеристик которых приводит к снижению качества обработки изделий.

Большинство отказов машин, приборов и механизмов происходит в результате износа контактирующих поверхностей элементов ТС, а не от того, что отдельные детали оказываются недостаточно прочными и ломаются при эксплуатации. Затраты на восстановление и ремонт машин, изношенных при эксплуатации, в десятки раз превосходят затраты на приобретение новых. Прежде всего это связано с низкой износостойкостью элементов ТС, которая приводит не только к их функциональным отказам при эксплуатации и ограничению технического ресурса, а также повышению энергозатрат, но и к полному

прекращению функционирования машин и приборов - возникновению отказов вследствие заклинивания.

Большой интерес представляют способы повышения износостойкости и технических характеристик ТС, основанные на использовании комбинированных физико-технических процессов, которые не требуют коренных изменений в конструкциях и технологии изготовления, эксплуатации и ремонта, а также больших затрат на приобретение исходных материалов. В связи с этим актуальной научной и практической задачей является системное изучение взаимосвязи между процессами самоорганизации при работе ТС и разработка способов управления их функциональными и параметрическими характеристиками, обеспечивающими эксплуатационную надежность ТО.

Проблема повышения стойкости к изнашиванию и восстановления изношенных деталей становится особенно острой в условиях дефицита запасных частей и больших затрат на ремонт и обслуживание. В последние годы накоплен широкий опыт по применению конструкционных материалов, смазочных масел и композиций, обеспечивающих процесс безызносного трения в узлах машин на основе явления избирательного переноса (Ш), реализация которого позволяет получить большой технический и экономический эффект. В этих условиях большой интерес представляют способы повышения эксплуатационной надежности автоматизированного ТО и MPC за счет увеличения износостойкости и восстановления изношенных элементов ТС, основанные на использовании эффекта Ш1, которые не требуют больших изменений в конструкциях и технологии изготовления, эксплуатации и ремонта ТС, а также больших затрат на приобретение исходных материалов. Кроме того использование эффекта МП дает возможность получить изнооные характеристики, восстановленных при ремонте, поверхностей ТС, превосходяще аналогичные свойства новых. По использованию Щ выполнено много работ, в том числе - в технологии нанесения фрикцион-

ных покрытий и применения метаапоплакирующих смазочных материалов (СМ), вместе с тем, применение известных конструкций и способов реализации эффекта Щ в исследуемых 1С без учета специфики и условий их работы, не дает ожидаемых результатов. Результаты внедрения ЙЗЗ не всегда удовлетворяют требованиям эксплуатации и иногда даже дают отрицательный результат. Это говорит о том, что механизмы ИП недостаточно изучены, а разработанные на их основе способы повышения износостойкости не могут быть эффективными для различных узлов, режимов и условий даже в пределах одной машины или прибора.

Повышение эксплуатационной надежности ТС автоматизированного ТО требует разработки эффективных способов автоматического контроля процессов при трении и изнашивании, а также диагностирования состояния рабочих поверхностей их элементов, для оперативного управления этими процессами. В связи с этим значительный научный и практический интерес представляет системное изучение взаимосвязи между процессам самоорганизации при Ш и разработка способов управления функциональными и параметрическими характеристиками ТС.

В данных исследованиях используется энергетический подход к анализу процессов трения, также механизмов Ш1 и нормального окислительного трения (НОТ) в ТС. Делается попытка объяснить их природу с помощью интерпретации в ТС автоматизированного ТО, машин и приборов эффектов активации процессов, сопровождающих трение и изнашивание, которые были обнаружены и исследованы ранее в слаботочных скользящих электрических контактах.

Цель работы - повышение эксплуатационной надежности автоматизированного технологического оборудования на основе диагностирования состояния и управления процессами в трибосопряжениях по интегральным стохастическим параметрам контактных взаимодействии их элементов.

Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи:

1. Построение модели трибосопряжений формообразующих узлов автоматизированного технологического оборудования, позволяющей обосновать методы управления их состоянием,

2. Разработка методики автоматизированного диагностирования состояния элементов трибосопряжений формообразующих узлов технологического оборудования, ориентированной на оперативное управление физико-техническими процессами в трнбооопряжениях, и апробирование ее на физических моделях и реальных узлах.

3. Разработка системы автоматизированного диагностирования состояния элементов трибосопряжений и оценки их работоспособности при экспериментальной проверке способов управления процессами в них и при эксплуатации.

4. Апробирование методики диагностирования состояния трибосопряжений в производственных условиях при реализации шизике- технических способов повышения эксплуатационной надежности формообразующих узлов автоматизированных металлорежущих станков.

Научная новизна работы заключается в обосновании метода повышения параметрической и функциональной надежности формообразующих узлов металлорежущих станков на основе обеспечения устойчивости состояния элементов их трибосопряжений с использованием автоматизированного диагностирования по интегральны},! стохастическим показателям и управления физико-техническими процессами, ориентированными на создание отказоустойчивых узлов автоматизированного технологического оборудования.

Практическая ценность и реализация результатов работы, На основе теоретических и экспериментальных исследований разработаны, апробированы и внедрены.*

- методика и технология ускоренной приработки фрикционных пар червячных редукторов, система автоматической импульсной смаз-

ки и диагностирования состояния направляющих внутришлифовальных станков модели ЗМ225ВФЙ на АО "Микрошлиф";

- методики автоматизированного диагностирования состояния и повышения надежности подшипников качения за счет реализации эффекта избирательного переноса на ОАО ОГЗЗ;

- методики автоматизированного контроля процессов контактных в в зимод 9 йс твий е элементах фрикционных многоступенчатых передач и повышения функциональной и параметрической надежности приводов подачи токарных модулей ШАРМ-100 на АОЗТ "НПК ПО",

- изготовлена на АООТ "НИТИ-ТЕОАР" малая серия автоматизированных приборов контроля контактирования для предприятий отрасли, где они применяются для контроля и диагностирования состояния элементов трибосопряжений при эксплуатации автоматизированного технологического оборудования и приборов.

Апробация работы. Основные результаты исследований докладывались на следующих научных конференциях: 3 Всесоюзном совещании "Физика отказов" (Москва, 1984 г.).; Российской межвузовской научно-технической конференции "'Фундаментальные проблемы металлургии" (Екатеринбург, 1995); Международном научно-практическом симпозиуме "Олавянотрибо-З" (Рыбинск, 1995); Международной научно-техни-чесой конференции "Точность автоматизированных производств (ТАЛ-97)" (Пенза, 1997 г.); Международной научно-технической конференции "Актуальные проблемы анализа и обеспечения надежности и качества приборов, устройств и систем" (Пенза, 1997 г.); Российской научно-технической конференции "Новые материалы и технологии" (Москва, .1997); Международной научно-технической конференции "Точность технологических и транспортных систем" (Пенза, 1998 г.); ежегодных научно-технических конференциях СРТУ и семинарах кафедры "Автоматизация технологических процессов и производств".

Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы (163 наименования) и 5 приложений, включает 191 страниц машинописного текста, 9 таблиц и 56 рисунков.

В соответствии с изложенным на защиту выносятся следующие положения, определяющие решение задачи повышения эксплуатационной надежности автоматизированного технологического оборудования на основе диагностирования состояния и управления процессами в три-бооопряжениях по интегральным стохастическим параметрам контактных взаимодействий их элементов:

1. Структурная модель трибосопряжений формообразующих узлов автоматизированного технологического оборудования, как развитой и способной к адаптации системы управления процессами формирования поверхностных слоев их элементов,

2. Диагностическая модель динамического состояния и методика контроля паршетров стохастических процессов контактных взаимодействий и диагностирования по интегральным показателям параметров элементов трибосопряжений в динамике трения.

3. Автоматизированная система контроля состояния элементов трибосопряжений формообразующих узлов автоматизированного технологического оборудования.

4. Результаты экспериментальных исследований на физических моделях и внедрения в реальных условиях производства физико-технических методов повышения эксплуатационной надежности элементов трибосопряжений формообразующих узлов автоматизированного технологического оборудования.

1. АНАЛИЗ МЕТОДОВ ОБЕСПЕЧЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ ТРИБОСООРШЕНММ УЗЛОВ И МЕХАНИЗМОВ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ

Конечной целью совершенствования ТО является повышение эффективности процесса обработки. Достижение этой цели связано с автоматизацией и изменением в желательном направлении надежности, производительности, точности, стоимости и энергоемкости обработки. Эти параметры взаимосвязаны, и поэтому перспектива их одновременного благоприятного изменения нереальна, можно лишь- в соответствии с известными принципами оптимизации [20,99], стремиться к достижению оптимального значения какого-либо одного параметра, наложив существенные ограничения на остальные [39,115]. Для прогнозирования поведения машины в различных условиях эксплуатации и отыскания оптимальных, с точки зрения надежности, конструктивных и технологических решений необходимо знать закономерности протекания физико-технических процессов, приводящих к потере работоспособности.

1.1. Связь надежности технологического оборудования с характеристиками трибосопряжений

1.1.1. Основные трибосопряжениз формообразующие узлов

При рассмотрении вопросов работоспособности и долговечности ТО и, е частности, его ТС требуется системный подход, при этом необходимо принимать во внимание целый спектр технологических, эксплуатационных, конструкторских, экономических, металлофизических и других задач, С позиций системного подхода [31,94,147% 1583, автоматизированный комплекс ТО представляет собой четырехуровневую иерархическую систему: станочная система, агрегат, узел и деталь. Уровни этой системы обеспечивают соответственно - технологический

-Lil

процесс, операции, движение и геометрию. Узлы формообразуюпщх подсистем ТО и в частности MPC должны обеспечивать точность и устойчивость перемещений., которые они реализуют, Поскольку детали входят как составные части в станочные и машинные узлы., то для последках сохраняются все требования к по