автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.03, диссертация на тему:Повышение ресурса и совершенствование машин криогенной техники с помощью технологии на основе объемной микропластичности и статико-гидродинамического электролиза

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Выявлены факторы негативно влияющие на работоспособность и мощность в процессе миниатюризации тяжелонагруженных машин и установлена главная роль качества поверхностного слоя, влияющего на повышение ресурса, эффективной мощности и надежности малогабаритных машин криогенной техники.

2. Разработаны, исследованы и внедрены принципиально новые малооперационные технологии и активные методы контроля качества на основе объемной микропластичности и сгатико-гидродинамического электролиза, -позволяющие существенно повысить ресурс и эффективность работы микромашин криогенной техники:

- ресурс микромашин увеличен в 2 и более раз;

- эффективная мощность микромащин повышена на 25.30 процентов.

3. Разработанные, исследованные и внедренные в практику основы модифицирования поверхностного слоя обеспечили впервые в СССР внедрение в серийное производство малогабаритных поршневых и мембранных компрессоров, обеспечивающих давление до 20 МПа в замкнутых дроссельных микросистемах и газовых холодильных (криогенных) машин для комплексов: ТП-23, космического корабля Прогресс, Молния-1, Пингвин, Соболь, Орбита и других, атакже осуществить конструкторско-технологическую стандартизацию и типизацию малогабаритных машин криогенной техники, технологий их изготовления и активных методов контроля качества поверхностного слоя.

4. Разработан и исследован механизм процесса объемной микропластичности:

• разработана и исследована комплексная физическая модель поверхностной и объемной микропластичности;

• разработана принципиально новая методика исследования формирования конуса скольжения при изучении объемной микроплартичности с использованием переменного по величине встречного потока энергии;

• Созданы научные основы объемной микропластичности. Разработаны рекомендации, обеспечивающие миниатюризацию, высокий ресурс и эффективную мощность машин криогенной техники путем формирования в поверхностном слое деталей высокопрочных износостойких антифрикционных структур. В процессе ультразвуковой "перековки" поверхностного слоя формируется микрорельеф с оптимальными радиусами при вершинах и впадинах, что обеспечивает увеличение фактической площади контакта и маслоемкости между сопрягаемыми элементами в кинематических парах, снижение удельных нагрузок, износа и механической мощности на преодоление сил трения.

5. Раскрыт и исследован механизм процесса статико-гидродинамического электролиза:

• разработана математическая модель и модель механизма анодно-химического процесса в кинематической паре "анод-катод" для решения нефарадеевских задач в режиме СГДЭ;

• разработаны принципиально новые методики исследования парциального съема металла в кинематической паре "анод-катод", для чего используются изолированные микроэлектроды на элементарных участках анодной поверхности и аппроксимация эвольвентного профиля зуба зубчатого колеса;

• выявлены факторы, влияющие на парциальный съем металла в процессе электролиза в зависимости от геометрических параметров в механическом движении кинематических звеньев;

• анализ проведенных экспериментов позволил создать научные основы СГДЭ и на их базе разработать рекомендации, обеспечивающие миниатюризацию, высокий ресурс и эффективную мощность в передачах машин криогенной техники, путем избирательного съема металла с обеспечением высокой точности, модифицирования зубьев зубчатых колес, повышения изгибной, контактной и усталостной прочности и формирования синусоидального микрорельефа в процессе удаления наследственного дефектного слоя после механической обработки, что ведет к увеличению конструкционной прочности передач, износостойкости зубчатых колес, улучшению контактно-шумовых характеристик.

6. Разработаны, исследованы и внедрены способы повышения работоспособности, ресурса и эффективной мощности машин криогенной техники на основе объемной микропластичности:

• разработан экспресс-метод подбора режимов для технологических процессов в зависимости от решаемых задач, с использованием обрабатываемых при разных режимах цилиндрических роликов (тело) и роликов с криволинейной поверхностью (контртело). На машине трения (ИИ 5018) определяется момент трения и строится зависимость, которая анализируется и принимается инженерное решение;

• предложен критерий совместимости Г, характеризующий процесс в триботехнической паре и прогнозирующий уровень износостойкости рабочей поверхности;

• разработаны промежуточные среды (например, 7 частей светильного керосина и одна часть дисульфида молибдена, К2СЛС-3, К2СПС-4 и другие) для формирования заданных антифрикционных свойств рабочих поверхностей в процессе УАО. Малооперационная УАО разработана на базе объемной микропластичности;

• выявлены факторы, эффективно влияющие на управление механизмом процесса УАО. Например, усилие подачи, регулируемое замкнутым силовым контуром динамического технологического модуля; величина главного движения ультразвукового инструмента; материал, из которого он изготовлен и форма его рабочей поверхности. ф 7. Разработаны, исследованы и внедрены способы, обеспечивающие заданную форму, точность обработки, качество поверхности и высокую производительность в процессе малооперационной технологии изготовления деталей машин криогенной техники на основе СГДЭ:

• на базе выявленных факторов, влияющих на парциальный съем металла в процессе электролиза разработаны способы, позволяющие получить заданную форму, точность и осуществить модифицирование зубьев зубчатых колес, например, головки и ножки зуба, создать новый вид зубчатого зацепления с эвольвентно-параболическим профилем зуба, с синусоидальным микрорельефом поверхности и заданными радиусами при вершинах и впадинах;

• подобраны электролиты для обработки высоконагруженных зубчатых колес, прошедших химико-термическую обработку, обеспечивающие высокую производительность;

• предложено поверхностно-активное вещество (светильный керосин) для уменьшения технологического припуска на обработку и повышения качества поверхностного слоя.

8. Разработан и исследован способ синергизма СГДЭ с УАО, обеспечивающий стабильный заданный ресурс опорных узлов с подшипниками качения, работающих без жидкой и консистентной смазки в машинах криогенной техники.

9. Разработаны, исследованы и внедрены новые методы контроля точности и качества поверхностного слоя:

• разработан и внедрен в промышленность активный метод контроля точности формообразования зубчатых колес по показаниям электрических стрелочных приборов в процессе СГДЭ;

• разработана специальная методика замера микротвердости гетерогенной структуры поверхностного слоя, полученной после УАО;

• разработан и внедрен в промышленность активный метод контроля качества химико-термической обработки в процессе СГДЭ, взамен разрушающего метода контроля (например, контроль пятнистой азотации).

10. Разработаны, исследованы, внедрены и защищены авторскими свидетельствами на изобретения СССР, принципиально новые конструкторско-технологические проектные решения обеспечивающие серийное производство микромашин, с высоким ресурсом работы и эффективной мощностью.

• разработаны, исследованы и внедрены способы и устройства для материализации высокопроизводительных малооперационных процессов УАО и СГДЭ, реализующих объемную микропластичность и анодно-химический процесс в кинематической паре "анод-катод;

• под руководством автора, на базе его теоретических разработок спроектированы, изготовлены и внедрены в производство установки, динамические технологические модули, ультразвуковые инструменты, электроды-инструменты для УАО и СГДЭ.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Поставленная в работе цель повышения ресурса, эффективной мощности и проектирования современных машин криогенной техники решалась новыми технологическими методами: объемной микропластичностью и статико-гидродинамическим электролизом; созданы научные основы модифицирования поверхностного слоя деталей машин с учетом установленного и описанного следующей формулой явления: "Экспериментально обнаружено неизвестное ранее свойство объемной микропластичности твердых металлов с образованием убывающего микрообъема, появляющегося при динамическом нагружении эллиптической площади контакта. В пределах этой площади напряженное состояние металла, вследствие нагруженмя меняется от объемного до линейного; в образующемся микрообъеме масса металла конусообразной формы, в ее весьма высокой начальной скорости, равнозамедленному продвижению в металле с образованием высокопрочной структуры в процессе убывания микрообъемной массы; зон сжатия и растяжения и явления интерференции волн" [35; 40]; и принципиально нового "Анодно-химического процесса в кинематической паре "анод-катод", реализуемого в режиме ста-тико-гидродинамического электролиза, через установленные закономерности парциального съема металла в процессе электролиза, в зависимости от геометрических параметров в механическом движении звеньев кинематической пары "анод-катод"; (нефарадеевские задачи) [8; 41].

На этой научной основе разработаны и внедрены конструкторско-техно-логические проектные решения для создания серийного производства технологичных малогабаритных машин криогенной техники.

Для материализации малооперационных технологий разработаны и внедрены в производство принципиально новые установки, динамические технологические модули, ультразвуковые инструменты каскадного типа, электроды-инструменты для наружной и внутренней обработки зубчатых колес, технологические среды.

Решенные научные и технические проблемы обеспечили: повышение ресурса малогабаритных машин криогенной техники в 2-й более раза, снижение потребляемой бортовой электроэнергии изделиями на 25.30 процентов, уменьшение расхода смазки, затрат на изготовление изделий и их эксплуатацию.

Создан научный и технический задел для дальнейшего совершенствования конструкций машин и технологических процессов в криогенном машиностроении, машиностроительном и ремонтном производствах.

Основные положения работы изложены в следующих публикациях:

1. Телевной A.B. Проектирование технологических процессов электрохимической обработки осе симметричных деталей на отделочных операциях; Учебное пособие. - Омск, ОмПИ, 1984. -78 с.

2. Телевной A.B. Проектирование электрода-инструмента для обработки зубчатых колес при статико-гидродинамическом электролизе: Учебное пособие,- Омск, ОмПИ, 1991.- 5 8 с.

3. Телевной A.B., Телевной В.А. Технологические процессы повышения конструкционной прочности деталей машин: Учебное пособие/ ОмГТУ, Омск, 1993.- 122 с.

4. A.c. 230482 (СССР) Роликовая установка для моделирования процесса обкатки зубчатых колес/ A.B. Телевной, Г.Я. Тарханов, И.М. Маркелов, Ю.Н. Сухоруков.- Заявл. 03.01.67 № 1123302/25-28; Опубл. в Б.И., 1968, № 34; МПК 601т, УДК 620.178.162.2.

5. A.c. 241941 (СССР) Способы отделки цилиндрических зубчатых колес/ Ю.Н. Сухоруков, A.B. Телевной, Г.Я. Тарханов. - Заявл. 05.03.68 № 1224216/ 25-8; Опубл. в Б.И., 1969, № 14; МПК В23. - УДК 621914.1; 621.833.

6. A.c. 248411 (СССР) Электрод-инструмент для электрохимической обработки зубчатых колес/ A.B. Телевной, Г.Я. Тарханов, Э.С. Лаптев.- Заявл. 08.04.68. № 123.6139/ 25-8; Опубл. в Б.И., 1969, № 23; МПК С23в,- УДК 621.9.048.6.

7. A.c. 270757 (СССР) Способ получения холода/ A.B. Телевной, В.М. Ягодин, В.М. Бродянский, В.А. Никольский, А.К. Грезин.- Заявл. 02.09.68. № 1268145/244-6; Опубл. в Б.И., 1970, № 17; МПК 25.- УДК 621.572.

8. A.c. 298454 (СССР) Электрод-инструмент для электрохимической обработки зубчатых колес/ A.B. Телевной, Г.Я. Тарханов.- Заявл. 31.03.69 № 131 6461/25-8; Опубл. в Б.И., 1971,№ 11; МПК В23р. 1/04,- УДК 621.9.048.4.06.

9. A.c. 292491 (СССР) Хладагент/ A.B. Телевной, Э.А. Громов, А.И. Степанков, А.К. Грезин, В.М. Бродянский.- Заявл. 20.10.69. № 1371867/2326; Опубл. в Б.И., 1971, № 14; МПК С09к 3/02,- УДК 621.564.38.

10. A.c. 300660 (СССР) Поршневая машина/ A.B. Телевной, - Заявл.

24.11.69. № 1378193/24-6; Опубл. в Б.И., 1971, № 13; МПК 0439/04,- УДК 621.512.

11. A.c. 331872 (СССР) Электрод-инструмент для электрохимической обработки зубчатых колес/ Ю.Н. Сухорукое, A.B. Телевной, ГЛ. Тарханов,-Заявл. 17.04.70. № 1424827/25-8; Опубл. вБ.И., 1972, № Ю; М. Кл. В23р 1/14/ -УДК 621.9.048.6.

12. A.c. 394461 (СССР) Способы приготовления электролита/ Ф.И. Кукоз, A.B. Телевной, Р.П. Андреев, В.И. Молодкин, Г.Я. Тарханов,-Заявл. 19.02.71. № 1624252/22-1; Опубл. вБ.И., 1973, №34; М. Кл.С23в 5/26,-УДК621.357.8.: 669.228.7.

13. A.c. 446678 (СССР) Мембранный компрессор с электромагнитным приводом/ P.A. Нугмалов, A.B. Телевной, П.К. Карелин, Ю.А. Юрин.- Заявл. 11.05.71. № 1652017/24-6; Опубл. в Б.И., 1974, № 444; М. Кл. 04 45/04.- УДК 621.512. 8-278.

14. A.c. 451866 (СССР) Мембранный компрессор с электромагнитным приводом/ A.B. Телевной, Ю.А. Юрин, P.A. Нугмалов, П.К. Карелин - Заявл.

24.12.71. № 1727869/24-6; Опубл. в Б.И., 1974, № 38; М. Кл. 04 45/04,- УДК 621.512.8- 278.

15. A.c. 460377 (СССР) Газоструйный компрессор / A.B. Телевной,- Заявл.

25.10.72. № 1839538/24-6; Опубл. в Б.И., 1975, № 6; М. Кл. 045/18,- УДК 621.527.

16. A.c. 5030445 (СССР) Вихревой турбокомпрессор/ A.B. Телевной, A.A. Телевной,- Заявл. 7.09.70. № 1475358/24-6; Опубл. в Б.И. 1976, № 6; М. Клг 04Д23/00; 04Д29/58- УДК 621.515.

17. A.c. 504009 (СССР) Герметичный турбокомпрессор/ A.B. Телевной, A.A. Телевной, В.А. Телевной - Заявл. 20.03.70. № 1760009/24-6; Опубл. в Б.И., 1976, № 7 Кл204Д25/06; 04Д29/58- УДК 621.515.

18. A.c. 772785 (СССР) Многоэлектродный вращающийся инструмент/

A.B. Телевной, М.Б. Вагенштейн - Заявл. 6.04.79. №2747834/25-08; Опубл. в Б.И., 1980, № 39; М. Кл5 В23Р/1 /12- УДК 621.9.047.

19. A.c. 1085150 (СССР) Способ формирования поверхностного слоя детали / A.B. Телевной, В.О. Курганович, В.Н. Лукьянчиков, В.М. Вандяев,

B.И.Козич. -Заявл. 3.12.81.№3360999/25-08;Опубл.В24cl 10УДК621.9.047.

20. A.c. 1098963 (СССР) Устройство для нанесения и упрочнения покрытий на винтовых поверхностях металлических заготовок / A.B. Телевной, В.О. Курганович, H.H. Смаглюк,-Заявл. 08.12.82 № 352 0917/25-08; Опубл. в Б.И. 1984 № 23 21Д7106, В 24 В1/04 УДК 621.9.047.

21. A.c. 1093458 (СССР) Способ электрохимической обработки зубчатых колес / A.B. Телевной, В.А. Телевной, - Заявл. 10.05.83. № 3588204/25-08;

Опубл. в Б.И., 1984, № 19; В 23Р1/04 - УДК 621.515.

22. A.c. 1215902 (СССР) Электролит для размерной электрохимической обработки/ A.B. Телевной, Е.В. Мирошникова.- Заявл. 19.01.84. № 3690629 / 25-08; Опубл. в Б.И., 1986, № 9; 4В23Н 3/08,- УДК 621.0.047.

23. A.c. 12521145 (СССР) Ультразвуковое устройство для упрочнения деталей/ A.B. Телевной, В.О. Курганович, В.Н. Лукьянчиков.- Заявл. 3.01.85. № 3841898/25-27; Опубл. в Б.И. 1986, № 31 4В24 В39/04, 39/06. УДК 621.923.77.

24. Телевной A.B. Роликовая установка для исследования электрохимических процессов отделки цилиндрических зубчатых колес с наложением ультразвукового поля. - В кн.: Производство зубчатых передач и вопросы надежности.- Омск, 1967, с. 41- 43.

25. Электрохимическая обработка азотированной стали 38ХМЮА / A.B. Телевной, Н.Т. Чечуков, В.И. Молодкин, Ю.Д. Поселягин,- Химическое и нефтяное машиностроение, 1973, № 10 с. 24.

26. Особенности электрохимической размерной обработки зубчатых колес / A.B. Телевной, Чечуков, В.И. Молодкин и др. - Электронная обработка материалов, 1974, № 4, с. 88 - 89.

27. Телевной A.B., Зинкин А.Н. К вопросу использования совмещенных смазок с целью повышения ресурса компрессоров.-В кн.: Конструирование, технология изготовления машин различного назначения: Тез. докл. Всесоюзной науч. техн. конф., Сумы, 1974, с. 70 - 71.

28. Электрохимическая размерная обработка беговой дорожки подшипников качения / A.B. Телевной, Чечуков, В.И. Молодкин и др. - Электронная обработка материалов, 1974, № 1, с. 23 -25.

29. Телевной A.B. Повышение ресурса, качества и эффективности широкого класса машин на базе малооперационных электрохимических и ударно-акустических методов обработки. В кн.: Материалы Всесоюзн. науч. техн. конф. "Надежность технических комплексов в машиностроительном производстве, Уфа, 1978, 2-ая К., с. 22.

30. Телевной A.B. О влиянии объемной микропластичности на физико-механические и теплоэлектрические свойства деталей машин. В кн.: Конструкционная прочность двигателей: Тез. докл. 5-ой Всесоюзн. научн. техн. конф. Куйбышев, 1978, с. 132 -134.

31. Телевной A.B. Об особенностях методики исследования процесса объемной микропластичности. В кн.: Конструкционная прочность двигателей: Тез. докл. 5-й Всесоюзн. научн. техн. конф. Куйбышев, 1978, с. 134-135.

32. Телевной A.B. Исследование механизма ударно-акустического воздействия на обрабатываемую деталь. В кн.: Использование методов поверхостно-пластического деформирования материалов в машиностроении: Тез. окл. Всесоюзн. науч. техн. конф. Владимир, 1981, с. 52.

33. Телевной A.B. О резервах формирования конструкционной прочности еталей машин технологическими методами. В кн.: Вибрационная прочность надежность авиационных двигателей: Тез. докл. 7-ой Всесоюзн. научн. техн. онф. Куйбышев, 1981, с. 86.

34. Телевной A.B. Исследование теплопроводности стали XI8Н10Т после бработки высококонцентрированными потоками энергии В кн.: Теплофизика ехнологических процессов. Часть 3: Тез. докл. 4-ой Всесоюзн. научн. техн. конф. Ташкент, 1984, с. 113.

35. Телевной A.B. Формирование высокопрочных структур в металле в процессе ударного воздействия сферой с ультразвуковой частотой. В кн.: Прочность материалов и элементов конструкций при звуковых и ультразвуковоых частотах нагружения. Тез. докл. Международного симпозиума, Киев, 1984, с. 126-127.

36. Телевной A.B., ПеньковаМ.Е. Упрочнение режущего инструмента на базе объемной микропластичности. В кн.: Электрохимические и электрофизические методы обработки материалов в авиастроении: Межвузовский сборник научных трудов. Казань, КАИ, 1990, с. 4-44.

37. Модификация активных поверхностей зубьев и способ ее реализации/ П.Д. Балакин, Н.Л. Рязанцева, A.B. Телевной., В.А. Телевной. - В кн.: Теория реальных передач зацепления: Тез. Пятого межгосударственного симпозиума, Курган, 1993, с. 60-61.

38. Телевной A.B., Телевной В.А. Поверхностно-пластическое упрочнение с использованием твердых смазок. В кн.: Отделочно-упрочняющая технология в машиностроении: Тез. Международной науч. техн. конф., Книга 2, Минск, 1994, с. 97-98.

39. Телевной A.B. Исследование сверхпластичности и самоплакирования для повышения ресурса триботехнических систем. В кн.: Динамика систем, механизмов и машин. Тез. 2-ой Международной науч. техн. конф., посвященной 55-летию ОмГТУ, Омск, 1997, т. 2. с. 81.

40. Телевной A.B. Комплексная физическая модель поверхностной и объемной микропластичности. В кн.: Динамика систем, механизмов и машин. Тез. 3-ей Международной науч. техн. конф. Книга 2, Омск, 1999, с. 77-78.

41. Телевной A.B. Анодно-химический процесс в кинематической паре «анод-катод». В кн.: Динамика систем, механизмов и машин. Тез. 3-й

Международной науч. техн. конф. Книга 2, Омск, 1999, с. 123-124.