автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.08, диссертация на тему:Повышение качества сборки вакуумных клапанов трубопроводных систем АЭС путем компенсации погрешностей от избыточных связей в конструкции

На правах рукописи

005015328

Наумова Светлана Александровна

ПОВЫШЕНИЕ КАЧЕСТВА СБОРКИ ВАКУУМНЫХ КЛАПАНОВ ТРУБОПРОВОДНЫХ СИСТЕМ АЭС ПУТЕМ КОМПЕНСАЦИИ ПОГРЕШНОСТЕЙ ОТ ИЗБЫТОЧНЫХ СВЯЗЕЙ В КОНСТРУКЦИИ

Специальность 05.02.08 - Технология машиностроения

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 2

тг

Рыбинск-2012

005015328

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Рыбинский государственный авиационный технический университет имени П. А. Соловьева»

Научный руководитель:

доктор технических наук, доцент, Семенов Александр Николаевич. Официальные оппоненты:

Житников Юрий Захарович, доктор технических наук, профессор, Ковровская государственная технологическая академия им. В.А. Дегтярёва, заведующий кафедрой «Технология машиностроения».

Уваров Лев Борисович, доктор технических наук, профессор,

ОАО «НПО «Сатурн», ведущий специалист службы главного инженера.

Ведущая организация: федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный технический университет «МАМИ».

Защита диссертации состоится 21 марта 2012 г. в 1400 часов на заседании диссертационного совета Д 212.210.01 в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Рыбинский государственный авиационный технический университет имени П.А. Соловьева» по адресу: 152934, г. Рыбинск, Ярославской области, ул. Пушкина, 53, ауд. Г-237.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Рыбинский государственный авиационный технический университет имени П.А. Соловьева».

Автореферат разослан 20 февраля 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Конюхов Борис Михайлович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы.

Энергетическое машиностроение является одной из важнейших отраслей отечественной промышленности, определяющей конкурентоспособность продукции и экономическую независимость страны. Значительную долю его изделий представляют трубопроводные системы электростанций, в которых важнейшими и технологически наиболее сложными являются запорно-регулирующие узлы, обеспечивающие подачу и дозирование рабочих сред. Ответственными представителями таких узлов являются вакуумные клапаны, применяемые в трубопроводных системах атомных электростанций (АЭС).

Основным функциональным показателем вакуумных клапанов является полная герметичность в течение всего срока эксплуатации АЭС, достигающего 40-50 лет. Характерной особенностью работы клапанов является многократное повторение циклов открытия - закрытия затвора, приводящих к отказам в виде износа уплотнительных поверхностей, разрушения сильфонов и т.д., интенсивность которых зависит от качества сборки замыкающей пары седло-клапан. Достижение требуемого качества вакуумных клапанов осуществляется путём многочисленных переборок и испытаний по проверке герметичности, что отражает как несовершенство конструкции, так и технологии сборки.

Сборка, формирующая функциональное качество всех высокоресурсных изделий, является самостоятельной стадией производства, базирующейся на собственных научных положениях и практических приёмах. Основу существующей теории сборки составляют размерный анализ и представления классической механики о базировании твёрдых тел, адаптированные применительно к технологии машиностроения, но имеющие большое количество допущений и идеализаций, затрудняющих безусловное достижение качества изделий при одноразовой сборке. В частности, существующая теория и практика сборки не учитывает положений теоретической механики о конструкциях механизмов и реальном базировании деталей в их составе, которые наглядно проявляются в структурно-сложных механизмах с переменной структурой, подобных вакуумных клапанам. Их особенности заключаются в том, что в процессе рабочего цикла структура механизма открытого типа трансформируется в номинально -замкнутое состояние, в результате которого происходит формирование нового сборочного соединения седло-клапан. Качество формирования новой кинематической пары непосредственно зависит от точности сборки всех сопряжений номинально-разомкнутого механизма и его особенностей, которые в существующих положениях теории сборки не рассматриваются. Поэтому разработка новых аналитических методов и способов расчета и прогнозирования точности сборки структурно-сложных механизмов на этапе технологической подготовки производства является актуальной, поскольку позволит повысить качество сборки вакуумных клапанов и существенно сократить их трудоёмкость.

Цель работы: повышение качества сборки механизмов трубопроводных систем энергетических станций на основе раскрытия закономерностей формирования сборочных связей.

Для достижения цели в работе необходимо решить следующие задачи:

1. Выполнить анализ конструкции вакуумного клапана с единых позиций технологии машиностроения и теоретической механики.

2. Изучить влияние структурных связей механизмов на обеспечение сборочных и эксплуатационных показателей.

3. Исследовать конструкции трубопроводных клапанов атомных электростанций для выявления структурных и сборочных взаимосвязей деталей.

4. Разработать математическую модель номинально-замкнутых механизмов, учитывающую влияние избыточности механических связей в узлах сложной пространственной структуры на точность сборки.

5. Разработать алгоритм сборки сложных пространственных механизмов, обеспечивающий точность сопряжения замыкающей пары путём компенсации негативных реакций избыточных связей.

6. Разработать контрольно-измерительную установку и методику оценки качества сборки вакуумных клапанов.

Методы исследования.

При проведении исследований использовались основные положения технологии машиностроения, теории сборки, теории точности, теоретической механики, теории механизмов и машин, математические методы преобразования координат, системный подход, методы компьютерного моделирования с применением современных программных средств «А№У8».

Достоверность и обоснованность результатов исследования подтверждается корректным использованием фундаментальных теоретических положений, выбором адекватных теоретических моделей и методов их построения, применением апробированных методик научного познания, корректностью постановки задачи, применением рациональных математических методов.

Научная новизна заключается в разработке:

- математической модели достижения точности исполнительных звеньев номинально-замкнутых механизмов, позволяющей учитывать влияние избыточных связей и взаимодействие деталей на качество сборки;

- алгоритма проектирования сборки сложных изделий, позволяющего на этапе технологической подготовки производства прогнозировать и обеспечивать точность замыкающей кинематической пары.

Основные положения, выносимые на защиту:

- математическая модель достижения точности выходных сборочных параметров номинально-замкнутых пространственных механизмов;

- алгоритм и методика сборки номинально-замкнутых механизмов типа вакуумных клапанов трубопроводных систем АЭС.

Практическая ценность и реализация результатов работы.

Разработана методика сборки номинально-замкнутых механизмов, которая позволяет технологам на стадии разработки технологического процесса произвести расчет достижимой точности сборки, определять критичные элементы механизмов и реализовать сборочные компенсирующие воздействия. Полученные методики и алгоритмы могут быть использованы при совершенствовании существующих и разработке новых технологических процессов сборки конструктивно-сложных механизмов.

Апробация работы.

Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на конференциях: «Современные технологии сборки», г. Москва, 2008; международный молодежный форум «Будущее высоких технологий и инноваций за молодой Россией», г. Санкт-Петербург, 2009; V международная научно-техническая конференция «Проблемы исследования и проектирования машин», г. Пенза, 2009; IX Международная научно-техническая конференция «Инновация, экология и ресурсосберегающие технологии на предприятиях машиностроения, авиастроения, транспорта и сельского хозяйства» «ИнЭРТ-2010», г. Ростов-на-Дону, 2010; «Современные технологии сборки», Москва, 2011; научно-техническая конференция «Новые материалы и технологии в машиностроении», г. Брянск, 2011.

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 8 работ, в том числе 3 публикации в изданиях, утвержденных ВАК.

Структура и объем работы.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения с общими выводами по работе, списка использованных источников. Объем работы - 164 страницы машинописного текста, включающего 74 рисунка, 4 таблицы, список использованных источников из 112 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, дана общая характеристика направления исследований. Изложены научные и практические результаты, выносимые автором на защиту.

Б первой главе выполнен обзор литературных источников в области теории и практики сборочных процессов в машиностроении.

Вопросами повышения эффективности сборочных процессов занимались такие ученые, как Балакшин Б. С., Безъязычный В. Ф., Шандров Б. В., Вартанов М. В., Гусев А. А., Дальский А. М., Демин Ф. И., Дунин-Барковский П. В., Житников Ю. 3., Корсаков В. С., Ланхциков А. В., Непоми-луев В. В., Новиков М. П., Рыльцев И. К., Семенов А. Н., Соколовский А. П., Штриков Б. Д., Якушев А. И. и многие другие ученые.

Показано, что достижение требуемой точности машин при сборке осно-

вано на размерном анализе конструкций, имеющем ряд допущений: детали рассматриваются как абсолютно жесткие тела; раздельно учитываются погрешности размеров и расположения поверхностей; не учитываются возможность изменения положения деталей относительно друг друга при сборке или эксплуатации и, особенно, структурные взаимодействия элементов механизмов.

Существующие подходы к сборке изделий машиностроения сформировались как! решения частных задач машиностроительных предприятий, и представляют собой, в большинстве случаев, практические рекомендации. Использование размерного анализа и теории базирования не позволяет принять единых решений для всей машиностроительной области, поскольку не учитывают достижений классической механики, теории машин и механизмов как теоретической основы проектирования машин.

Исследованиями в области теории машин и механизмов занимались ученые: Артоболевский И. И., Левитский Н. И., Фролов К. В.; в области структуры механизмов - Малышев А. П., Решетов Л. Н., Озол О. Г.; кинематики механизмов - Колчин Н. И., Смирнов Л. П., Зиновьев В. А.; геометрии механических передач - Литвин Ф. Л., Кетов X. Ф., Гавриленко В. А.; динамики машин и механизмов - Горячкин В. П., Кожевников С. Н., Колов-ский М. 3. и других. Анализ научных работ этих направлений свидетельствует о необходимости привлечения знаний о механизмах и закономерностях функционирования в теорию и практику машиностроительной сборки.

В совершенствование конструкций трубопроводной арматуры и повышение их качества существенный вклад внесли ученые: Гуревич Д. Ф., Сей-нов С. В., Гошко А. И., Калашников В. А., Хильчевский В. В. и других. Анализ их работ показал, что процессы сборки и проблемы обеспечения качества высокоресурсных вакуумных клапанов недостаточно изучены и требуют развития.

На основе анализа источников и конструктивно-технологических особенностей объекта исследования были сформулированы цель и задачи работы.

Во второй главе выполнен анализ структур конструктивно-сложных механизмов и сборочного взаимодействия их деталей с целью установления влияния возникающих механических связей на качество изделий.

Вопросам базирования деталей посвящались труды Балакшина Б. С., Ка-ширина А. И., Кована В. М., Маталина А. А., Соколовского А. П. и др. Для создания определенности положения твердого тела его необходимо лишить трех поступательных перемещений вдоль осей координат и трех вращательных вокруг указанных осей. В механике это достигается наложением двухсторонних связей, лишающих тело возможности перемещения в направлении действия каждой. Шесть двусторонних связей обеспечивают ориентацию тела любой формы относительно системы координат ОХУ1 и фиксацию в данном положении (рис. 1).

1 2

X

4

г

о

5 6

а

б

в

Рис. 1. Основные схемы базирования: а) призматического тела; 6) вала; в) диска

Использование данного подхода к обеспечению высокого уровня надежности и качества изделий приводит к проблемам, обусловленным идеализацией расчетных схем, недооценкой реального базирования деталей. Поэтому в последнее время появились работы, развивающие теорию базирования, в которых предлагаются разнообразные методы компенсации погрешностей базирования.

Одной из основных причин такого положения является наличие избыточных связей между деталями, превышающих минимально необходимое, игнорирование которых приводит к снижению качества и надежности изделий. Анализ многих механизмов показал, что большинство их соединений содержат избыточные связи, которые при силовом замыкании вызывают статическую неопределимость механизма, деформации звеньев, увеличивают силы трения в кинематических парах и повышают трудоемкость сборки. Особенно избыточность критична для сложных пространственных механизмов, в которых одновременно используются избыточные связи на элементах кинематических пар, в разветвленных подвижных соединениях и в замкнутых кинематических цепях (рис. 2).

Выявление избыточных связей в теории механизмов и машин выполняется при структурном анализе с помощью универсальных формул, основным недостатком которых является то, что не учитываются размеры звеньев и их точность, зазоры в кинематических парах. Для конструирования так называемых рациональных механизмов, в которых отсутствуют избыточные связи, предлагается:

- повышение класса кинематической пары, увеличивающее ее подвижность;

- увеличение числа подвижных звеньев механизма;

- повышение точности обработки пар и точности изготовления звеньев;

- предварительные длительные испытания, доводки и регулировки.

Большинство конструктивных способов приводит к усложнению технологии и повышению трудоёмкости, а технологических - к повышению затрат. Поэтому наиболее целесообразным является совершенствование технологии сборки на основе учёта влияния избыточных связей на достижение необходимой точности путём разработки математических моделей, учитывающих закономерности взаимодействия деталей, поскольку именно они определяют качество сборки и надежность машин.

Рис. 2. Особенности базирования в реальных механизмах

В третьей главе исследовано влияние избыточного базирования деталей на работоспособность механизмов с номинально-замкнутым контуром.

Сопряжение исполнительных звеньев этих механизмов, имеющих избыточные связи, реализуется через совмещение их координатных систем путем коррекции линейного и углового расположения замыкающей пары, которая компенсирует погрешности изготовления и базирования. В процессе работы эти перемещения реализуются за счет выборки зазоров в стыках малой точности и деформаций деталей, величины которых определяются качеством сборки, конструкцией механизма и его техническим состоянием. Именно поэтому для машин и механизмов назначают режим приработки, длительность которого определяется техническим уровнем и качеством изготовления.

Типичными примерами таких механизмов с являются промышленный робот и механизм газораспределения (рис. 3), в процессе функционирования которых их структурная схема изменяется от разомкнутой до замкнутой. Образование замы- Рис.3. Примеры номинально-замкнутых механизмов

кающей пары, например, при сборке роботом сопряжения типа вал-втулка или при закрытии клапана приводит к формированию избыточных связей.

Конструкцию механизмов можно представить в виде совокупности звеньев-стержней и кинематических пар для их соединений. Процесс сборки всех элементов рассматривается как последовательное совмещение в пространстве систем координат их основных и вспомогательных баз (рис. 4).

■й.1 .д^ Взаимное расположение

двух деталей и их систем координат может характеризоваться погрешностями из трех поворотов и трех линейных смещений относительно каждой из осей координат. Они определяют возможные линейные и угловые перемещения деталей при сборке путем совмещения баз деталей для создания замкнутого контура, что выражается соединением первой системы координат (/=1), связанной с базовой деталью, с системой координат выходного звена (*=и).

Взаимное расположение 1-й и п-й систем харак-

Рис. 4. Взаимное расположение систем координат базовой и присоединяемой детали

теризуется результирующим вектором:

Я„

(1)

где А/,1+1 - вектор смещения (г'+/)-й системы координат относительно 1-й, определяемый точностью звеньев; <5;,/+1- вектор смещения /-й и (1 + 7)-й систем координат в кинематической паре; Я, ,+1 - матрица поворота (/+/)-й системы относительно ¡-й системы

БШф,.^, вни^акО^,

сое ()>,_,+1 5тфм+18тч/м+1 эт 6(н1 + созсрм+| ССЖв,^, Бтфм+1 соэм/, 1+,

+ 5Шф,-,+1 ИПв,^

эт Ч/(_и8те(.исоз(р(_и

-81Пфм+, С<ю8м+1

Ф,_1,, ч'(-и. 9/-1,, - углы поворота / и г-1 систем координат, соответственно,

относительно осей ОХ, 07, 02.

Точность позиционирования исполнительного узла обеспечивается при совмещении координатных систем АО У, 2/ иХ„У„2„, которое возможно в некоторой области возможных положений, определяемой сферой радиуса характеризующей точность взаимного положения деталей замыкающей пары. Поэтому возникновение избыточных связей при формировании замкнутого контура механизма отражается на сборочной технологичности, затратах труда, времени и ресурсов для достижения качества сборки, определяемых возможностями технологии сборки для сужения области значений замыкающего вектора.

Для учета влияния избыточных связей на качество сборки замыкающей пары разработана математическая модель достижения точности номинально-замкнутых механизмов:

(2)

где ¿¿¡-Д и Ду -векторы, определяющие, соответственно, возможные пе-

М у=1

ремещения деталей сопряжений в пределах зазора и отклонения деталей от номинального расположения из-за наличия структурных избыточных связей; и -количество соединений; от - количество деталей в механизме.

В соответствии с моделью (2) принцип формирования замыкающего звена в номинально-замкнутых пространственных механизмах реализуется в виде двух вариантов: лг -»о и Дг * 0. Первый (идеальный) случай, когда суммарный вектор точности замыкающей пары близок к нулю, отражает согласованность стыка, точность сборки. Во втором случае, образование замыкающей пары будет осуществляться путем принуждения к формированию стыка, сопровождаемое деформациями и дополнительными напряжениями в деталях, которые вызываются негативными реакциями избыточных связей. Под принуждением следует понимать использование силового замыкания при сборке узлов для совмещения координатных систем деталей замыкающей пары.

Нейтрализация принуждения возможна двумя путями: взаимной компенсацией погрешностей деталей и негативных реакций избыточных связей за счет

я т ^

самоустановки деталей в зазорах -6, = ■ д,) и повышением точности за

,.1 ;=1

и т __

счет минимизации составляющих погрешностей (£ к, ■ <5, -> 0; £ • ду ->• о).

ы И

Для реализации данного принципа предлагается алгоритм проектирования технологии сборки изделий с номинально-замкнутым контуром (рис. 5). Алгоритм и методика, разработанная на его основе, позволяют на этапе технологической подготовки прогнозировать и обеспечивать точность сопряжения замыкающей кинематической пары при сборке и, при необходимости, компенсировать негативные реакции избыточных связей технологическими способами.

Рис. 5. Алгоритм сборки номинально-замкнутых механизмов

Четвертая глава посвящена разработке конструкторско-технологических мероприятий по обеспечению качества сборки вакуумных трубопроводных клапанов, которые относятся к запорной арматуре и служат для герметичного перекрытия вакуумных и газовых коммуникаций. Вакуумные клапаны исследуемого типа монтируются в трубопроводных магистралях АЭС с разряжением от 10~5 до Ю"10 Па, поэтому должны быть надежными в эксплуатации, то есть выполнять требуемые функции, сохраняя свои показатели в заданных пределах в течение 40 - 50 лет.

Из всех видов трубопроводной арматуры вакуумные клапаны (рис. 6) являются наиболее конструктивно и технологически сложными. Конструкция клапана представляет собой сложный пространственный механизм, в процессе эксплуатации которого производится многократное повторение цикла открытия-закрытия затвора И, как результат, происходят интенсивные износы уплотнений в затворах, разрушения сильфо-нов и шпонок в узле привода, что снижает функциональные показатели клапанов и приводит к отказам. Причинами нарушения работоспособности клапанов являются как конструктивные особенности, так и погрешности изготовления деталей и сборки.

Для сохранения герметичности в процессе эксплуатации к точности сопряжения замыкающей пары «затвор-седло» предъявляются высокие требования, что достигается в процессе сборки путем длительной подгонки и регулировки для совмещения осей этой пары сборщиками высокой квалификации. Сложность обеспечения герметичности заключается в том, что связь исполнительного элемента - затвора с седлом осуществляется посредством многозвенной кинематической цепи из рычажных звеньев с кинематическими парами разных классов.

Структурный анализ показал, что в открытом состоянии у вакуумного клапана уже существуют избыточные связи, что приводит к его статической неопределимости. При закрытии затвора возникают дополнительные связи, увеличивающие избыточность, и повышающие негативное влияние этого фактора на качество сборки и функционирование (рис. 7). Результат расчета числа связей по формуле Малышева

/=5

д = + показал, что в разомкнутом состоянии число избыточных связей

1=1

<7 = 1-6-2 + 5-3 + 41 = 8, а в закрытом - д = 1-6 -2 + 5 -3 + 4-1 + 3 -1 = 11, т.е. существен-

Рис. 6. Типовая конструкция вакуумного клапана

но повышается.

Рис. 7 .Структурная схема вакуумного клапана при положениях затвора: а) открытом, б) закрытом, 0 - корпус; 1 - вал; 2 - кулачок; 3 - двухопорная ось рычага; 4 - сильфон; 5 - рычаг; 6 - затвор; 7 - седло

Анализ их влияния на качество сборки, выполненный по разработанной методике, позволяет выявить для каждого сборочного комплекта наиболее критичные детали и сопряжения, которые требуют использования компенсирующих мероприятий, таких как подбор деталей по фактическим размерам, способ и место использования регулировок на этапе технологической подготовки. Для снижения трудоемкости сборки клапанов за счет уменьшения регулировок положения затвора относительно седла разработан контрольно-измерительный стенд (рис. 8), который позволяет инструментальным способом оценить качество стыка замыкающей

пары седдо-затвор без проверки на герметичность.

Датчик крутящего момента

Рис. 8. Схема контрольно-измерительного стенда

Основой решения является использование технологического стального седла, на внутренней поверхности которого расположено 12 тензодатчиков, измерительные сигналы с которых после преобразования формируют на мониторе диаграмму его деформаций после образования стыка с клапаном. Для расширения возможно-

стей стенда, отражающих качество нейтрализации негативных реакций избыточных связей и принуждение кинематической цепи для формирования стыка, предлагается в систему механизма привода включить датчик крутящего момента. Таким образом, о качестве сборки вакуумного клапана можно непосредственно судить по графикам изменения крутящего момента и деформации седла при закрытии клапана.

При качественной сборке кривые будут иметь вид, показанный на рисунке непрерывной линией (рис. 9). Увеличение времени, наличие рывков и остановок (прерывистая линия) свидетельствует о недостаточном качестве сборки.

Рис. 9. Диаграммы изменения крутящего момента (а) и контакта в стыке (б) Для количественной оценки качества сборки по данным измерений разработан обобщенный критерий качества сборки к = ■ Мфа" -> 1,

Камин Мншш

где /ф^, 1Н0МШ - фактическое и номинальное время закрытия клапана;

М^, Мцот - фактический и номинальный крутящий момент на валу привода, который позволяет оценить по минимальном}' предельному значению (0,9.. .0,95), необходимость выполнения дополнительной регулировки.

График деформаций седла клапана наглядно отображает формируемое при закрытии клапана пятно контакта, определяемое в каждой точке нахождением значения в^ в области допуска < > . Его смещение относительно центра соединения «затвор-седло», неравномерность стыка позволяют определить направленность регулировочных воздействий при сборке, то есть управлять процессом сборки, тем самым, снижая его трудоемкость.

Для подтверждения достоверности полученных решений был использован комплекс АЫБУЗ, с томошью которого моделировалась сборка твердотельных моделей затвора и седла при различных вариантах их взаимного расположения. Критериями оценки являлись: градиент контактных давлений и полнота контакта стыка. Результаты моделирования взаимодействия затвора и технологического седла при линейных и угловых смещениях их осей, допустимых по условиям расчета, приведены на рис. 10, 11. Они свидетельствуют, что в идеальном случае при полном совмещении осей обеспечивается плотность и равномерность стыка. В случаях угловых смещений осей возникает градиент контактных напряжений и неравномерность стыка, которые увеличиваются в

случаях только линейных или совместных отклонений осей, что повышает вероятность снижения герметичности и отказов.

вьзк_:."

Рис. 10. Распределение напряжений в контакте «затвор-седло» линейных смещениях вдоль осей О У и 07,

—ц/.ц_:—тл

• 7?.М1 '

Рис. 11. Распределение напряжений в контакте «затвор-седло» при угловом

смещении осей

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Выполненный анализ конструкций изделий машиностроения сложной пространственной структуры показал существенное влияние избыточных связей на обеспечение качества их сборки в виде изменения степени статической неопределимости.

2. Раскрыты закономерности формирования суммарной погрешности замыкающих звеньев номинально-замкнутых узлов, определяемой совместным влиянием отклонений размеров деталей и соединений от номинальных значений и погрешностями от наличия избыточных связей.

3. Разработанная модель достижения точности положения исполнительных звеньев в номинально-замкнутых механизмах позволяет учитывать влияние избыточных связей и взаимодействия деталей на качество сборки.

4. Разработан алгоритм проектирования сборки сложных изделий, позволяющий на этапе технологической подготовки производства прогнозировать и обеспечивать точность замыкающей кинематической пары.

5. Предложен способ оценки качества сборки трубопроводных вакуумных клапанов по характеру контактирования замыкающей пары и моментно-временной зависимости привода, позволяющий снизить трудоемкость сборки и повысить функциональное качество.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

В изданиях, рекомендованных ВАК

1 Семенов, А. Н. Влияние закономерностей базирования деталей на функциональное качество и надежность машин [Текст] / А. Н. Семенов, С. А. Наумова / Сборка в машиностроении, приборостроении. - 2008. -№12, - С. 3-8.

2 Семенов, А. Н. Влияние условий эксплуатации и условий сборочного взаимодействия элементов трубопроводных клапанов на показатели их качеств; [Текст] / А. Н. Семенов, С. А. Наумова // Сборка в машиностроении, приборостроении. - 2009. -№6, - С. 3-8.

3 Наумова, С. А. Автоматизированное проектирование сборки механизмов сложной пространственной структуры [Текст] / С.А.Наумова, А.Н.Семенов // Вест-никРГАТУ. -№2 (21)-Рыбинск: РГАТУ, 2011. -С. 99-105.

В прочих изданиях

4 Наумова, С. А. Структурный анализ механизма - основа обеспечения точности сборки и повышения эксплуатационных параметров изделия [Текст] / С. А. Наумова // Будущее высоких технологий и инноваций за молодой Россией: Материалы международного молодежного форума. - Рыбинск: РГАТА, 2009. - С. 90-94.

5 Наумова, С. А. Обеспечение качества сборки и эксплуатационных параметров изделия на основе структурного анализа механизма [Текст] / С. А. Наумова, А. Н. Семенов // Проблемы исследования и проектирования машин: V международная научно-техническая конференция. - Пенза, Приволжский дом знаний, 2009. -С. 32-34.

6 Наумова, С. А. Прогнозирование точности положения исполнительных звеньев пространственных механизмов на основе учета избыточных связей [Текст] / С. А. Наумова, А. Н. Семенов // Инновация, экология и ресурсосберегающие технологии на предприятиях машиностроения, авиастроения, транспорта и сельского хозяйства «ИнЭРТ-2010»: IX Международная научно-техническая конференция. -Ростов-на-Дону, 2010. - С. 1122-1125.

7 Наумова, С. А. Повышение качества трубопроводных клапанов со сложной пространственной структурой на основе оптимизации сборочных связей [Текст] / С. А. Наумова, А. Н. Семенов // «Современные технологии сборки». -Москва, МАМИ, 2011. - С. 20-27.

8 Наумова С. А. Автоматизация проектирования технологических процессов сборки механизмов сложной пространственной структуры [Текст] / С. А. Наумова, А. Н. Семенов // «Новые материалы и технологии в машиностроении». Выпуск 14. - Брянск: БГИТА, 2011. - С. 77-81.

Зав. РИО М. А. Салкова Подписано в печать 17.02.2012 Формат 60x84 1/16. Уч.-изд.л. 1. Тираж 100. Заказ 71

Рыбинский государственный авиационный технический университет имени П. А. Соловьева

(РГАТУ имени П. А Соловьева)

Адрес редакции: 152934, г. Рыбинск, ул. Пушкина, 53

Отпечатано в множительной лаборатории РГАТУ имени П. А. Соловьева

152934, г. Рыбинск, ул. Пушкина, 53

61 12-5/3308

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Рыбинский государственный авиационный технический университет имени П. А. Соловьева»

На правах рукописи

Наумова Светлана Александровна

ПОВЫШЕНИЕ КАЧЕСТВА СБОРКИ ВАКУУМНЫХ КЛАПАНОВ ТРУБОПРОВОДНЫХ СИСТЕМ АЭС ПУТЕМ КОМПЕНСАЦИИ ПОГРЕШНОСТЕЙ ОТ ИЗБЫТОЧНЫХ СВЯЗЕЙ В КОНСТРУКЦИИ

Специальность 05.02.08 - Технология машиностроения

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель доктор технических наук Семенов А. Н.

Рыбинск - 2012

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.....................................................................................................................................4

1. ИССЛЕДОВАНИЕ СБОРОЧНОЙ ПРОБЛЕМАТИКИ И ЕЕ ВЛИЯНИЕ НА ОБЕСПЕЧЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ И КАЧЕСТВА МЕХАНИЗМОВ СО

СЛОЖНОЙ ПРОСТРАНСТВЕННОЙ СТРУКТУРОЙ.................................................7

1Л. Анализ исследований в области сборки высокоресурсных изделий.............7

1.2 Основные причины недостаточного качества и надежности высокоресурсных изделий......................................................................................................14

1.3. Анализ конструкций механизмов сложной пространственной структуры

и их функциональных показателей качества..................................................................24

1.4. Обоснование выбора объекта исследования..........................................................32

1.5. Цель и задачи исследования..........................................................................................43

2. АНАЛИЗ СБОРОЧНОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ДЕТАЛЕЙ В МЕХАНИЗМАХ СЛОЖНОЙ ПРОСТРАНСТВЕННОЙ СТРУКТУРЫ..............44

2.1. Системный подход к процессу сборки высокоресурсных изделий сложной пространственной структуры.............................................................................44

2.2. Особенности базирования деталей в изделиях машиностроения.................51

2.3. Проявление избыточных связей машин и механизмов.....................................61

2.4. Способы преодоления негативных реакций избыточных связей между деталями механизма..................................................................................................................70

2.5. Выводы по главе 2.............................................................................................................77

3. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ИЗБЫТОЧНЫХ СВЯЗЕЙ НА ТОЧНОСТНБ СБОРКИ И СИЛОВЫЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ В МЕХАНИЗМАХ СЛОЖНОЙ ПРОСТРАНСТВЕННОЙ СТРУКТУРЫ...........................................................................79

3.1. Анализ влияния избыточных связей на точность изделий..............................79

3.2. Разработка математической модели сборки высокоресурсных изделий сложной пространственной структуры.............................................................................94

3.3. Методика силового расчета пространственных механизмов с избыточными связями............................................................................................................107

3.4. Выводы по главе 3...........................................................................................................116

4. РАЗРАБОТКА КОНСТРУКТОРСКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ МЕРОПРИЯТИЙ ПО ПОВЫШЕНИЮ КАЧЕСТВА СБОРКИ ВАКУУМНЫХ ТРУБОПРОВОДНЫХ КЛАПАНОВ................................................................................118

4.1 Анализ и учет конструктивно-технологических особенностей вакуумного клапана..........................................................................................................................................118

4.2 Разработка методики сборки вакуумного клапана.............................................128

4.3 Компьютерное моделирование результатов сборки вакуумного клапана136

4.4 Выводы по главе 4............................................................................................................148

ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ.........................................................................................................149

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ.....................................................150

ПРИЛОЖЕНИЕ А....................................................................................................................163

ВВЕДЕНИЕ

Энергетическое машиностроение является одной из важнейших отраслей отечественной промышленности, определяющей конкурентоспособность продукции и экономическую независимость страны. Значительную долю его изделий представляют трубопроводные системы электростанций, в которых важнейшими и технологически наиболее сложными являются запорно-регулирующие узлы, обеспечивающие подачу и дозирование рабочих сред. Ответственными представителями таких узлов являются вакуумные клапаны, применяемые в трубопроводных системах атомных электростанций (АЭС).

Основным функциональным показателем вакуумных клапанов является полная герметичность в течение всего срока эксплуатации АЭС, достигающего 40-50 лет. Характерной особенностью работы клапанов является многократное повторение циклов открытия - закрытия затвора, приводящих к отказам в виде износа уплотнительных поверхностей, разрушения сильфонов и т.д., интенсивность которых зависит от качества сборки замыкающей пары седло-клапан. Достижение требуемого качества вакуумных клапанов осуществляется путём многочисленных переборок и испытаний по проверке герметичности, что отражает как несовершенство конструкции, так и технологии сборки.

Сборка, формирующая функциональное качество всех высокоресурсных изделий, является самостоятельной стадией производства, базирующейся на собственных научных положениях и практических приёмах. Основу существующей теории сборки составляют размерный анализ и представления классической механики о базировании твёрдых тел, адаптированные применительно к технологии машиностроения, но имеющие большое количество допущений и идеализаций, затрудняющих безусловное достижение качества изделий при одноразовой сборке. В частности, существующая теория и практика сборки не учитывает положений теоретической механики о конструкци-

ях механизмов и реальном базировании деталей в их составе, которые наглядно проявляются в структурно-сложных механизмах с переменной структурой, подобных вакуумных клапанам. Их особенности заключаются в том, что в процессе рабочего цикла структура механизма открытого типа трансформируется в номинально - замкнутое состояние, в результате которого происходит формирование нового сборочного соединения седло-клапан. Качество формирования новой кинематической пары непосредственно зависит от точности сборки всех сопряжений номинально-разомкнутого механизма и его особенностей, которые в существующих положениях теории сборки не рассматриваются. Поэтому разработка новых аналитических методов и способов расчета и прогнозирования точности сборки структурно-сложных механизмов на этапе технологической подготовки производства является актуальной, поскольку позволит повысить качество сборки вакуумных клапанов и существенно сократить их трудоёмкость.

Методы исследования

При проведении исследований использовались основные положения технологии машиностроения, теории сборки, теории точности, теоретической механики, теории механизмов и машин, математические методы преобразования координат, системный подход, методы компьютерного моделирования с применением современных программных средств «АЫ8¥8».

Достоверность и обоснованность результатов исследования подтверждается корректным использованием фундаментальных теоретических положений, выбором адекватных теоретических моделей и методов их построения, применением апробированных методик научного познания, корректностью постановки задачи, применением рациональных математических методов.

Научная новизна заключается в разработке:

- математической модели достижения точности исполнительных звеньев номинально-замкнутых механизмов, позволяющей учитывать влияние из-

быточных связей и взаимодействие деталей на качество сборки;

- алгоритма проектирования сборки сложных изделий, позволяющего на этапе технологической подготовки производства прогнозировать и обеспечивать точность замыкающей кинематической пары.

Основные положения, выносимые на защиту :

- математическая модель достижения точности выходных сборочных параметров номинально-замкнутых пространственных механизмов;

- алгоритм и методика сборки номинально-замкнутых механизмов типа вакуумных клапанов трубопроводных систем АЭС.

Практическая ценность и реализация результатов работы

Разработана методика сборки номинально-замкнутых механизмов, которая позволяет технологам на стадии разработки технологического процесса произвести расчет достижимой точности сборки, определять критичные элементы механизмов и реализовать сборочные компенсирующие воздействия. Полученные методики и алгоритмы могут быть использованы при совершенствовании существующих и разработке новых технологических процессов сборки конструктивно-сложных механизмов.

Апробация работы

Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на конференциях: «Современные технологии сборки», г. Москва, 2008; международный молодежный форум «Будущее высоких технологий и инноваций за молодой Россией», г. Санкт-Петербург, 2009; V международная научно-техническая конференция «Проблемы исследования и проектирования машин», г. Пенза, 2009; IX Международная научно-техническая конференция «Инновация, экология и ресурсосберегающие технологии на предприятиях машиностроения, авиастроения, транспорта и сельского хозяйства» «ИнЭРТ-2010», г. Ростов-на-Дону, 2010; «Современные технологии сборки», Москва, 2011; научно-техническая конференция «Новые материалы и технологии в машиностроении», г. Брянск, 2011.

1. ИССЛЕДОВАНИЕ СБОРОЧНОЙ ПРОБЛЕМАТИКИ И ЕЕ ВЛИЯНИЕ НА ОБЕСПЕЧЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ И КАЧЕСТВА МЕХАНИЗМОВ СО СЛОЖНОЙ ПРОСТРАНСТВЕННОЙ СТРУКТУРОЙ

1.1. Анализ исследований в области сборки высокоресурсных изделий

Обеспечение заданного ресурса изделий - важнейшая задача при их изготовлении и сборке. Её решение особенно существенно в настоящее время, так как современные машины и механизмы представляют собой сложные пространственные конструкции, которые должны экономично создаваться и эксплуатироваться в течение длительного периода времени. Для обеспечения основных функциональных показателей качества высокоресурсных изделий важна роль и значение сборочных связей. От сборки в значительной мере зависит трудоёмкость изготовления, возможность выпуска изделий в заданные сроки, надежность работы выпускаемых машин по показателям безотказности и долговечности. Отказы и снижение долговечности вызываются некачественным выполнением соединением, регулировочных и пригоночных работ; ослаблением крепежных деталей; нарушением регулировки в процессе работы; некачественной очисткой сопрягаемых деталей и другими причинами. Поэтому можно говорить о том, что основные показатели надежности узлов машин (безотказность, долговечность и ремонтопригодность) обеспечиваются на сборке [1]. Трудности их достижения определяются характером соединения, малостью допусков на отклонения параметров этого соединения и особенностями структурного взаимодействия деталей [2]. Повышая точность изготовления деталей, можно снизить себестоимость выполнения сборки в

результате уменьшения времени на пригоночные работы. Однако себестоимость изготовления деталей при этом растет.

При оценке качества изделий, особенно высокоресурсных, важную роль играет сочетание погрешностей собираемых деталей и погрешностей в виде деформаций, возникающих в ходе сборки. Последние нередко могут превышать допустимые отклонения на изготовление деталей. На практике основным методом устранения этих недостатков является повышение точности размеров деталей, что не позволяет выявить их причины, а только снизить их последствия. В работах по технологии сборки Новикова М.П., Корсакова B.C. [3, 4] и др. ученых описываются рекомендации и подходы по выполнению конкретных видов соединений и изделий в целом, выполнению сборочных приемов.

Но в любом случае в настоящее время проектирование технологии сборки, как правило, основано на размерном анализе конструкций, который базируется на положениях существующей теории размерных цепей, заложенной Балакшиным Б. С. [5, 6]. Этот анализ позволяет выявить размерные связи в процессе изготовления изделий. В качестве размерных связей выступают или размеры материальных объектов (деталей, сборочных единиц и т.п.), или расстояния между ними. К размерному анализу относятся, во-первых, вопросы, связанные как с разработкой и анализом конструкций - определением и проверкой необходимых и достаточных требований, точности размеров, формы и взаимного расположения. Во-вторых, вопросы, связанные с разработкой технологических процессов: расчеты номинальных и предельных значений технологических размеров, прогнозирование возможных значений припусков, назначение всех промежуточных размеров на обработку, вычисление оптимальной с точки зрения механической обработки простановки размеров. В-третьих, размерный анализ связан с анализом технологических процессов сборки - это проверка собираемости сборочных единиц и изделий; выбор

способа сборки по уровню взаимозаменяемости, обеспечение заданных значений выходных характеристик изделия.

Цель размерного анализа - это обеспечение качества и технологичности изделий, их элементов, заготовок. Его результатом является выбор способов обеспечения необходимой точности замыкающего звена и, соответственно, способов сборки: с полной, неполной и групповой взаимозаменяемостью, с пригонкой, с регулированием или с компенсирующими материалами. Каждый из способов имеет свои достоинства, недостатки и область применения и особенности расчета [4-6].

Сборка с полной взаимозаменяемостью обеспечивает требуемое качество непосредственным соединением сопрягаемых деталей и частей изделия без каких-либо дополнительных работ (пригонки, регулировки, подбора деталей). Это позволяет организовать поточную сборку, кооперацию производства, упрощает снабжение запасными частями и ремонт машин, находящихся в эксплуатации. Этот способ сборки применяют в массовом и серийном производстве; в единичном производстве его используют при постановке стандартных деталей (крепежа, подшипников качения и др). Применение сборки с полной взаимозаменяемостью ограничивается высокой себестоимостью изготовления точных деталей, что имеет место у изделий с многозвенными размерными цепями и узкими допусками на их замыкающие звенья.

Сборка с неполной взаимозаменяемостью позволяет расширить допуски на размеры сопрягаемых деталей по сравнению со сборкой с полной взаимозаменяемостью. Требуемая точность замыкающего звена достигается не у всех собираемых объектов. В основу способа положена теория вероятностей, по которой крайние величины звеньев размерной цепи встречаются реже, чем средние. Поэтому процент изделий, у которых замыкающее звено выходит за пределы требуемого допуска, незначителен (порядка 1 %). Дополнительные затраты на исправление небольшого числа изделий (путем подбора деталей) малы по сравнению с экономией труда и средств, получаемой при

изготовлении деталей с более широкими допусками. Сборку применяют в серийном производстве для изделий с многозвенными размерными цепями.

Сборку с групповой взаимозаменяемостью применяют в тех случаях, когда конструктивные допуски меньше технологических. Требуемые по конструктивным соображениям допуски посадок получают путем подбора сопрягаемых деталей, изготовленных с увеличенными допусками. Детали соединяют после непосредственного подбора, или предварительной сортировки на размерные группы, или сортировки с непосредственным подбором. Этот способ непригоден для поточной сборки из-за большой затраты времени на подбор и зависимости качества сборки от квалификации сборщиков.

Затраты, связанные с сортировкой деталей на размерные группы, окупаются в результате экономии, получаемой от обработки деталей по широким допускам. Сборку с групповой взаимозаменяемостью применяют в производстве точных изделий. Она несколько усложняет ремонт машин, так как номенклатура запасных частей при этом возрастает. Эта сборка применима для изделий с многозвенными размерными цепями.

Сборка с регулированием заключается в том, что на размеры деталей, входящих в данное соединение, устанавливают достаточно широкие технологические допуски, а требуемую посадку получают введением в размерную цепь дополнительного компенсатора. В качестве компенсаторов применяют шайбы, прокладки, регулировочные винты, клинья и другие элементы. Преимущество этого способа сборки - возможность обработки входящих в соединение деталей по расширенным допускам; простота сборки при высокой точности ее выполнения; возможность регулирования не только при сборке, но и в процессе эксплуатации.

Сборка с пригонкой позволяет получить заданную точность сопряжения путем индивидуальной пригонки одной из сопрягаемых деталей к другой. Этот способ используют в единичном и мелкосерийном производстве, а также в случаях, когда конструкторские допуски уже технологических. Пригон-

ку выполняют прнпиливанием, шабрением, притиркой, а также совместной об