автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.08, диссертация на тему:Снижение энергозатрат при сборке с термовоздействием технологическими способами

ХАРКІВСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Чепурко Ірина Петрівна

УДК 621.757.004.18

ЗНИЖЕННЯ ЕНЕРГОВИТРАТ ПРИ СКЛАДАННІ З ТЕРМОДІЄЮ ТЕХНОЛОГІЧНИМИ ЗАСОБАМИ

Спеціальність 05.02.08 - технологія машинобудування

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Харків - 2000

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Українській інженерно-педагогічній академії Міністерс освіти і науки України, (м. Харків).

Науковий консультант: доктор технічних наук, професор

Арпентьев Борис Михайлович,

Українська інженерно-педагогічна академія, завідувач кафедри “Технологія машинобудуванн:

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Захаров Микола Володимирович,

Сумський державний аграрний університет, завідувач кафедри “Експлуатація і ремонт машин

кандидат технічних наук, старший науковий співробітник

Кузуб Юрій Миколайович,

Науково-дослідний технологічний інститут прил; добудування, м. Харків, начальник відділення.

Провідна установа: Харківський науково-дослідний інститут техноло

машинобудування Міністерства промислової політики України.

Захист відбудеться “ 8 “ УерйнЯ 2000 року о /4* годині на засіданні < ціалізованої вченої ради Д 64.550.12 у Харківському державному політехнічн університеті за адресою:

61002, м. Харків, вул. Фрунзе, 21.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Харківського державного літехнічного університету.

Автореферат розісланий “ 2000 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради

Узунян М.Д.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Однією із складових успішного виходу України на бітовий ринок товарів є випуск конкурентоспроможної продукції. Тому сновиою задачею сучасного машинобудування е отримання продукції заданої кості з мінімальними витратами. Якість складається з багатьох показників, і соблива роль в його забезпеченні відводиться складальним процесам, бо вони є авершальними в технологічному ланцюзі виробництва.

Однією з умов забезпечення якості складання є збираємость з’єднань, бираємость залежить від багатьох взаємоув’язаних факторів, і тому потрібний омплексний підхід, що дозволить виявити ступінь взаємовпливу факторів. До инішнього ж часу підхід був диференційованим, що не давало змоги мати птимальні режими складання і найбільшу його ефективність. Застосування омп'ютерної техніки значно полегшує рішення таких задач.

В конструкціях машин широко розповсюджені гладкі циліндричні сполучення з натягом, збирання яких з використанням термодії підвищує міцність та знижує матеріалоємність. Технологія такого складання передбачає нагрів деталі, що охоплює або охолодження деталі, що охоплюється. Однак недоліком її є велика енергоємкість та високий відсоток відмов при складанні внаслідок заклинювання деталей та їх передчасного скріплення.

При складанні з гермодією мають місце нестаціонарні теплові процеси, що ротікають не тільки в складаємих деталях, але і в елементах технологічного бладнання, що з ними контактують (прилади для базування, схвати та ін.). Зміна епловмісту в елементах, і внаслідок цього зміна деформацій та переміщень, пливають на збираємость з’єднань і витрати енергії. Тому необхідні дослідження емпературних полів усіх елементів складальної системи. Попередні дослідження еплових процесів, що основані на аналітичних методах, часткові і не охоплюють сієї різноманітності типів з’єднань, одержуваних складанням з термодїєю. ►собливо це відноситься до з’єднань з охоплюючими деталями складної онфігурації та багатоелементним. Тому на етапі проектування доцільно астосовувати математичне моделювання, а системний підхід дозволить вирішити здачу збираємості з урахуванням максимального числа факторів, що впливають.

Параметри складання, що найбільш впливають на енергозатрати, є імітуючими. Дійсні значення цих параметрів знаходяться в певному діапазоні оля розсіювання і, чим більше це поле, тим більше втрати енергії. Тому для імітуючих параметрів необхідне обгрунтоване призначення допусків та рахування розкиду їхніх значень при визначенні собівартості складання.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Направлення осліджень дисертаційної роботи зв'язане з тематикою робіт кафедри технології ашинобудування і межкафедральної науково-дослідної лабораторії складальних роцесів Української інженерно-педагогічної академії, що виконуються у ідповідності з державною науково-технічною програмою “Високоефективні зхнологічні процеси в машинобудуванні” і координуються Міністерством Освіти країни (теми 99-1ГБ та 95-1ГБ - наказ Міністерства Освіти України №37 від

13.02. 1997 р., рішення НТР УІПА - протоколи №3 від 23.12. 98 р. і №2 від 23.1 94 р.).

Мета і задачі досліджень. Метою дисертаційної роботи є знижеш енерговитрат і підвищення якості складальних процесів, що використовую! термодію, шляхом забезпечення збираємості з’єднань і призначення найбіль вигідних температурних режимів на основі визначення температурного стаї елементів складальної системи в будь-який момент часу з урахуванням втрі енергії.

Для реалізації поставленої мети необхідно вирішити такі задачі:

- розробити методику визначення режимів складання, що дозволить знизиі витрати енергії натермовплив;

- знайти технологічні засоби забезпечення якості складання з’єднань з натяго при використанні термодії;

- визначити температурний стан деталей та складального обладнання пр циклічній роботі і багатоелементному складанню;

- запропонувати методику визначення і урахування втрат енергії при складанні;

- перевірити розроблені положення на практиці.

Наукова новизна одержаних результатів. На основі комплексної урахування факторів, які визначають особливості складання з’єднань з термодієь вперше встановлений просторово-часовий взаємозв'язок параметрів, п дозволяють забезпечити надійне і якісне складання та знизити енерговитрати. Для реалізації запропонованого підходу вперше:

- розроблена методика визначення технологічних режимів складання, яь основана на аналізі взаємозв'язку та взаємовпливу параметрів складання, і н. забезпечує збираємость з’єднань;

- в результаті дослідження теплових процесів при складанні з’єднань використанням термодії встановлено, що необхідно розглядати у взаємозв'язь теплообмін між деталями і в складальній системі, яка включає елемент базуючого та транспортуючого обладнання, тому запропонована математичі модель, що описує температурний стан елементів складальної системи пр багатоелементному складанні і циклічній роботі;

- на основі імовірностного аналізу температурних режимів склад ані встановлено, що значення лімітуючих параметрів знаходяться в певному діапазої поля розсіювання, що призводить до втрат енергії, які необхідно враховувати пр визначенні собівартості процесу.

Практичне значення отриманих результатів полягає в тому, и розроблена методика визначення температурних та силових режимів складам різноманітних типів з’єднань з термодією і пакет програм для ЕОМ, я дозволяють розраховувати оптимальні режими складання. Запропонованії послідовний алгоритм проектування технологічного процесу складання з’єднань використанням термодії з урахуванням можливості складання багатоелементні з’єднань і циклічного базування є елементом САПР технологічного процесу.

Розроблена програма для ЕОМ дозволяє визначати температурний стг елементів складальних систем різноманітної конфігурації в будь-який момеї часу для двох- і багатоелементних з’єднань, а також параметри циклу складальні

з

іперації для циклічного базування. Запропонований алгоритм визначення ехнологічної собівартості виготовлення виробів на автоматизованому комплексі раховує технологічні втрати.

Результати роботи реалізовані на ВАТ “Турбоатом” у вигляді технологічних екомендацій та методики визначення режимів складання з’єднань деталей ярових і газових турбін, що одержують з використанням термодії. Також на ШФ “Стрида” впроваджена технологія складання з’єднань вузлів насосів лектростанцій.

Апробація результатів роботи. Основні положення і результати роботи ули доложені та отримали позитивну оцінку на міжнародних науково-технічних онференціях: “Прогресивна техніка і технології машинобудування” (м. Донецьк, (онДТУ: м. Севастополь, 1995 р.); “Сучасні проблеми машинобудування і ехнічний прогрес” (м. Донецьк, ДонДТУ: м. Севастополь, 1996 р.); “Прогресивні ехнології машинобудування і сучасність” (м. Донецьк, ДонДТУ: м. Севастополь, 997 р.); на ювілейних читаннях молодих вчених, присвячених 90-річчю із дня ародження М. Ф. Семко (м. Харків, ХДПУ, 1998 р.); “Сучасні інформаційні і нергозберігаючи технології життєзабезпечення людини” (м. Харків, УІПА, 1999 .); методичних семінарах кафедр технології машинобудування УІПА та ехнології машинобудування і металорізальних верстатів ХДПУ.

Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано 13 робіт, в тому числі 6 таттей у збірниках наукових праць, 4 статті і 3 тези доповідей у матеріалах онференцій.

Структура і обсяг роботи. Робота містить: вступ, 4 розділи, список икористаних джерел, додатки. Загальний обсяг дисертації 157 сторінок, в тому ислі: 42 малюнки (5 стор.), 107 бібліографічних назв (8 стор.), З додатки (37 тор.).

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі роботи на основі стислого аналізу технології складання з’єднань з грмодією обгрунтована актуальність теми, сформульовані мета і задачі осліджень, наведені дані про практичну цінність і наукову новизну результатів оботи.

У першому розділі наведений аналіз літератури з питань складання, в тому ислі фундаментальних досліджень в області складання з’єднань з натягом при икористанні термодії Андреєва Г. Я., Бобровникова Г. А., Жабіна А. І., і ідзначено, що складальне виробництво має значні резерви зниження атеріальних, капітальних та експлуатаційних затрат, підвищення продуктивності раці, якості і надійності виробів.

Розглянуті роботи по визначенню оптимальних параметрів технологічних роцесів складання різноманітних типів сполучень, в яких наведені рекомендації юдо розрахунку режимів складання, конструюванню обладнання, вибору араметрів технологічних операцій. Однак параметри складання розглядалися

розрізнено і не враховувався їхній взаємозв'язок. При розгляданні роб Арпентьева Б. М., Зенкіна А. С., Климася В. Г., Оборського І. Л. визначено, н основним параметром технологічного процесу складання з’єднань з термодією термічний складальний зазор, від якого залежать температура термовпливу, якіс та надійність складання і, відповідно, затрати енергії та продуктивність. Існую-номограми для його визначення, але вони не охоплюють всі види сполучен Аналітичні залежності по розрахунку складального зазора враховують тілм перекос осей деталей, не розглядаючи погрішності орієнтування базової деталі тієї, що приєднується, та напрямок зусилля складання, що можуть призвести і заклинювання. Визначення складального зазору по максимально допустим температурі термодії призводить до зайвого розходу енергії. Тому термічні складальний зазор слід визначати з урахуванням мінімального розходу енергії забезпечення збираємості з’єднань.

При складанні з термодією температура деформує деталі і контактуючі ними елементи обладнання, тому необхідні дослідження їхнього температурної стану. Велика увага питанням контактного теплообміну приділена в роботг Ликова А. В., Попова В. М., Лебедєва П. Д., Шликова Ю. П. та ін. Наймень розробленими серед задач теплопровідності є задачі, зв'язані з нестаціонарним процесами, і ті, що мають різні умови теплопереносу по межі розділу сред. Пр багатоелементному складанні з термодією і циклічній роботі обладнання маю: місце нестаціонарні теплові процеси не тільки в деталях, що збираються, але і базуючому обладнанні. Існуючі аналітичні залежності не враховую! розповсюдження тепла в елементах обладнання. Допомогти вирішити ці зада дозволяють фундаментальні роботи по теплопереносу Бєляєва Н. М., Рядно А. А Самарського А. А., Яненко Н. Н., Рихтмайєра Р. Д., Мортона К. В. та інші авторів.

Відзначено, що на якість виробу значно впливають технологія та я кіс* складання. В ряді робіт якість пропонується оцінювати в кількісних показника одним з яких є втрати. Вони виникають при відхиленні параметрів в розрахункових значень. Втрати повинні бути визначені на етапі підготовь виробництва та враховані при визначенні собівартості виготовлення складальн одиниці.

Другий розділ присвячений розробці методики визначення силових температурних режимів складання, а також аналізу розсіювання лімітуючі параметрів. При проектуванні технологічного процесу складання (ТПС) з’єднань натягом при використанні термодії вирішується задача вибору схеми складанш режимів, що забезпечують отримання якісного виробу при мінімальних витрата Схема складання визначає: 1 направлення осей сполучення поверхонь деталей лінія складання; деталь, яка приєднується (що охоплюється або що охоплює) під дією яких сил виконується сполучення - під дією сили ваги детаї складального зусилля (зусилля досилання) або сили ваги і складального зусилл Вибір схеми визначається конструкцією та параметрами (маса, габарит посадочні розміри деталей) з’єднання, розташуванням деталі у нагрівальної обладнанні і транспортними засобами. Режими залежать від типу виробництва температурних обмежень. При розробці ТПС потрібно враховувати вели

:ількість параметрів, тому виникла необхідність у створенні математичних юделей, які реалізовані за допомогою програм на ЕОМ.

Вільне, без заклинювання, з’єднання для будь-якої схеми складання абезпечується правильним вибором термічного складального зазора Його еличина залежить від діючих сил (складального зусилля га сили ваги деталі, що риєднується) і відносного положення деталей в початковий момент з’єднання, ке визначається точністю складального обладнання.

Пропонується положення компонентів складальної системи описувати

чотирма основними (а,/3, у/,\у) та трьома допоміжними (<р,рЛ) кутами (мал. 1). На малюнку а - кут наклона осі деталі, що приєднується, до лінії складання; /? - кут

наклона осі базової деталі до лінії складання, їхня величина

визначається точністю складального обладнання. Кут р залежить і від температурної

складової по грішності базування, що виникає внаслідок прогріву бази ри циклічній роботі обладнання, у/ - кут відхи лення лінії складання до аправлення сили ваги, змінюється від 0° до 180° та визначає горизонтальне, гртикальне або похиле направлення осей деталей, у - кут між направленням юіадального зусилля Р і лінією складання. Таким чином, усі можливі варіанти роцесу складання деталей зведені до двох схем.

Кут р, що утворюється внаслідок погрішностей, які виникають при становленні базової деталі на складальну позицію і появі температурних еформацій базуючого обладнання, в усіх випадках більше нуля. Схему кладання, в якій кути наклона базової деталі р і тієї, що приєднується а мають цне направлення, але а>р (мап. 1а) назвемо попутною. Схему, наведену на мал. б для випадку, коли а і р мають різні напрямки, будемо вважати зустрічною. озрахунок необхідно проводити для обох схем, щоб врахувати гірший з ожливих варіантів.

Зазор з умови незаклинювання, в залежності від взаємного розміщення осей азової деталі і тієї, що приєднується, запропоновано визначати окремо для зжної з схем складання.

Для складання, коли вал - базова деталь, а втулка - та, що приєднується, ізор Яс пропонується знаходити по залежностям:

а)а>р,а>0,р>0 б) а<р, а<0, р>0

Мал. 1. Взаємоположення деталей

для зустрічної схеми - 5с = •

для попутної схеми - ;?с =

хіпср (Со£р-Срп5аП)(С-Ер+2Р-1 €>) 2С(Б/3-сох ц/+ Ср, ят у/) + 2Р(Б£р±СщСр) $іп<Р (Ср^(т+5рпСс^(0-Ер„-\ 2Р-ІС>) 2Р($р£угС£.у,і)-сої цг~ Ср-їіп у/)

■ + с{В<р.;

де (і, І- діаметр і довжина валу; О - сила ваги валу.

При виведенні залежностей використовуються коефіцієнти 5д £ЇЛ Ср та ін що описують направлення сил системи, яка знаходиться у рівновазі. Аналогічі залежності виведені для схем складання, коли базовою деталлю є вал.

На основі даних залежностей з урахуванням контактних напруг, ш виникають, запропонований алгоритм (мал. 2) та розроблена програма для ЕОМ

вибору схеми

С

Початок

ИЗИ

І)

Ввод

даних

/Вибір схеми /

______складання / ^

{Діаметри і довжини деталей, значення натяга, допустимих контактних напруг, розміри пятна контакту

Вибір схеми складання

І

Вибір пара« метрів

~ї~

визначення зазору із умови незаклинювання

4

Вал - базова деталь, втулка - та, що приєднується; втулка • базова деталь, вал- та, що приєднується

Лінії складання (вертикальна, горизонтальна, під углом), складальне зусилля та допоміжні перемінні

ТЯІ*С БхЮЛмм

визначенню режимі складання: мінімалі ного складальної зазору, температур термодії та склад алі ного зусилля, ш забезпечують мін мальні витрати ене] гії та надійнісі складання.

Визначення можливості складання із умови перекидання

І

Визначення максимума температури нагріву і контактних напруг

С

Кінець

210

90

Мал. 2. Схема алгоритму і результати роботи програми для ПЕОМ

250

200

150і

100

50

\

\ 1 \ \ \ \ 8-5°

А \ \ \ \

Ч! О

р=1° \ \

Ч і

1

108

2

216

З

324

Р Ю о,МПа

Дослідження різноманітних варіантів складання конструктивно різних ’єднань дозволило зробити висновок, що зусилля складання Р впливає на еличину Б і збираємость в меншому ступені, ніж сила ваги деталі, що іриєднується, в області допустимих контактних напруг. Таким чином, бираємость з’єднань залежить у першу чергу від розмірів деталі, що іриєднується, а саме - від співвідношення діаметру і довжини. Наприклад, для ату з 1/с/<4 при сІ<100 мм вертикальне складання не завжди буде відбуватися, бо іожливі такі взаємні положення валу і втулки (комбінація кутів а та /3), коли усилля складання Р створить момент, що намагається вивернути вал з втулки. У аких випадках можна рекомендувати складання із горизонтальним озташуванням осей. Однак, довгі вали з Ш>4 слід збирати по вертикальній хемі, щоб зменшити контактні напруги.

Коли базова деталь - вал, а втулки по довжині більше зовнішнього діаметру, щільно збирати вертикально знизу, щоб виключити вплив моменту, який ротидіє складанню. Із горизонтальним направленням лінії складання слід бирати втулки з малою довжиною (деталі типу "диск"). Вертикальне складання

зверху рекомендується для втулок з малими габаритними розмірами, а також для втулок з малим внутрішнім діаметром і довжиною, яка перевищує зовнішній діаметр. Для вертикальної схеми складання, коли базова деталь - втулка, графік визначення збираємості з’єднань наведений на мал. 2. Умови, при яких неможливе складання даного з’єднання показані штриховими

лініями. Подібні графіки будуються для будь-яких варіантів складання.

За допомогою обчислювального експерименту встановлений

взаємозв'язок термічного зазору, погрішності базування та складального зусилля, що відображається тривимірною поверхнею (мал. 3). Поверхня поділена на чотири зони. Складальний зазор, що забезпечує

Зміна температурного стану, а значить, і деформації елементів складальної истеми, впливають на збираємость. Розглянута узагальнена складальна система, ю містить деталі та елементи базуючого пристосування. На мал. 4 схематично збражено теплову взаємодію елементів цієї системи. Оскільки деталі, що кладаються є тілами обертання, розглядаємо систему як двумірну (по

родольному перерізу). Вона являє собою нескінченну безліч взаємодіючих лементів А, Б, В та Г. Елемент А - "основний" (як правило йому відповідає вал).

зираємость, слід вибирати із зон І та III.

Елементи Б та В - (втулки, що приєднуються або елементи складального пристосування). Елементи А, Б та В можуть мати необмежену кількість отворів тг рівнів вкладення. Елемент Г напівобмежений в площині ХОУ. Його фізичнот аналог - контактуючі елементи складального пристосування, розміри яки> визначити не можливо, а різниця їхньої температури і температури навколишньо: середи незначна або дорівнює нулю. Перерозподіл тепла у підсистемах А-Б, А-В А-Г відбувається внаслідок теплопровідності, а у підсистемах А, Б, В - внаслідоь тепловіддачи. Таким чином, вперше запропонована теплова модель складально системи довільної конфігурації, що включає різну кількість елементів : різноманітними видами теплообміну.

Розроблена на її основі математична модель теплової взаємодії єлємєнтіе системи побудована на класичних положеннях теорії теплообміну. Як чисельний метод рішення диференціальних рівнянь теплопровідносте використаний мето/ кінцевих різниць або метод сіток. Продольно-поперечна різносна схема, ще запропонована, описана формулами:

с = ¿а + да . - к = дг^: + аж:1

V 2 ' п 2 '

де г, к, т - геометричні координати вузлів сітки; ті -часова координата; 0 -температура вузла. Приведена послідовність підготовки математичної моделі вихідні залежності, початкові та граничні умови.

При циклічному складанні тепловий потік між елементами базуючогс пристосування та нагрітою деталлю нерегулярний в часу. За декілька перши? циклів прогрів базуючого пристосування із-за великої різності температур відбувається найбільш інтенсивно та амплітуда температурних деформацій найбільша. До того ж і охолонення втулки, яка знаходиться в базуючому пристосуванні, відбувається максимально швидко, що збільшує швидкість зміни тимчасового термічного зазору. Усе це знижує надійність складання. З іншого боку, максимальні деформації базуючої втулки спостерігаються при наступанні теплового режиму, що встановився, але амплітуда їхніх вагань менш. Режим, що встановився, такоа характеризується менш інтенсивним охолоненням втулки при базуванні із-зі наявності бази з підвищеною температурою. Визначити можливість складанні

тепловіддача в навколишню середу ____„ теплопровідність

Мал. 4. Узагальнена схема теплової взаємодії скла. дальних елементів

при циклічному режимі роботи можна тільки у випадку, якщо в будь-який момент часу відомо температурне поле, а значить і температурні деформації в технологічній системі.

З використанням математичної моделі вирішена задача по визначенню температурного поля системи втулка - базуюче пристосування при циклічній зоботі. В ній рекомендовано розраховувати величину термічного складального ¡азора для двох випадків: 1) першого циклу складання, коли погрішність эазування із-за наявності температурних деформацій буде найбільшою; 2) циклу газування, відповідного тепловому режиму, що встановився, з рівномірно зозподіленим температурним полем.

Розглянуте складання багатоелементного з’єднання. Його особливістю є імінення температурного стану базової деталі (валу) після приєднання кожної іаступної деталі (втулки). Так, після приєднання першої втулки вал прогрівається його температура в різних поперечних перерізах стає неоднаковою, що іризводить до появи температурних деформацій. Тому необхідно знати температурне поле валу в кожний момент часу складального циклу, щоб ¡коректувати температуру нагріву втулок, виключивши можливе передчасне ¡кріплення деталей в з’єднання та отбраковку всієї складальної одиниці. Крім ■ого, це дасть можливість підвищити продуктивність операції за рахунок точного ¡изначення часу скріплення на кожному наступному складальному переході, іадача визначення температурного поля валу також вирішена у чисельному іигляді.

Розроблені алгоритми та програми для ЕОМ по визначенню параметрів ехнологічного процесу складання при циклічному базуванні і при складанні іагатоелементного з’єднання. Це дозволяє технологу корегувати температуру ермодії деталей на протязі виробничого циклу.

Далі в другому розділі розглянуте розсіювання значень основних ехнологічних параметрів складання та їхній вплив на температуру термодії. відхилення дійсних значень параметрів від розрахункових призводить до появи іеврахованих на етапі проектування втрат. Під технологічними втратами юзуміємо затрати, що визначаються зайвим розходом енергії, якщо дійсне начення параметру перевищує розрахункове. Якщо ж дійсне значення параметру іенш необхідного розрахунком, то втрати пов'язані з випуском бракованого ’єднання або розборкою неякісного. Вирішується задача визначення діапазону юзсіювання величин, що впливають на втрати при складанні.

Визначені усі лімітуючи параметри технологічного процесу складання з очки зору мінімальної собівартості отримання складальної одиниці. Основним іараметром є температура нагріву деталі, оскільки вона визначає витрати енергії, акож до лімітуючих параметрів відносяться зусилля складання, дійсний натяг в ’єднанні та точність складального обладнання. Ці параметри взаємозв’язані, вони абезпечують надійність складання та визначають температуру темодії. іикористаний імовірносний підхід для визначення температури термодії як ипадкової величини. Поля розсіювання трьох параметрів, що на неї впливають, изначаються експериментально, а щільність імовірності для такого розподілу емператур описується залежністю:

АМ,3,р) = )і-^-ехр|-1^>Сг(^-^)2 +к%"В2(р-рУ +

+к£'Л2(6-6? + к^ВС(р-р\н - й)+к^Ав(5-3^р-р)+

де х - випадкові величини, якими є: N - натяг у з’єднанні (мм), р - складальне зусилля (Н), 8 - точність обладнання (град); х - середні значення випадкових величин; п - кількість параметрів, приймаючих середні значення; Д - визначник, складений з елементів кореляційної матриці.

Імовірність появи події Т (температури) при розсіюванні значень Щр, 8 в заданому інтервалі пропонується визначати по залежності:

Залежність дозволяє визначити та обгрунтувати межі розсіювання розрахункової температури. Для забезпечення складання розрахункове значення температури повинно знаходитися у діапазоні, обмеженому кривою 1 щільності розподілу температур (мал. 5).

Нагрів великогабаритних деталей, що охоплюють, в промислових умовах звичайно проводиться в індукційних нагрівателях, що працюють на струмах промислової частоти. Реальна температура нагріву також є величиною випадковою, та буде відрізнятися від розрахункової із-за коливань напруги в мережі перемінного струму.

Щоб гарантувати збираємость з’єднання, криву 2 щільності розподілу дійсних температур (мал. 5) необхідно смістити відносно кривої 1 на величину

т г т

р(г) = ав$ | ^/{и,р,б)сішар.

N. А

А

Р

2

середньоквадратичних відхилень с. Але тоді частина деталей явно буде перегріватися (права частина кривої 2), що приведе до істотних витрат енергії. Корегуючи температуру в сторону її зменшення до їй (крива 3), виникає імо-

Мал. 5. Корекція температури термовпливу

х { х ж та* х

ір іо 1

I; 30ГРС_________X. ЗСТ“ >1

.> вірність появи браку.

Чисельне значення його імовірності визначається площею фігури, що утворена пересіченням кривих 1 та 3. У зв'язку з цим

вартість втрат від браку, приведену до одного з’єднання, запропоновано визначати по залежності:

С6=С„

1+

IL -t.

І2'

-',1

л/2(т Sa. t!(2n + l

ГН)'+1

К-/.,

(2п + 1)н!(л/2ст,):'

гН)"

В результаті теоретичних досліджень сформований загальний алгоритм проектування ТПС з’єднань з використанням термодії, що приведений у вигляді схеми на малюнку 6.

Для визначення параметрів складання: зусилля, складального зазору та температури термодії було розроблено програму для ПЕОМ «ZAZOR». Для врахування втрат тепла нагрітою деталлю під час транспортування від нагрівального обладнання та знаходження її на позиції складання за допомогою програмного пакету «BASA» пропонується визначати температуру втулки. При проектуванні складання багатоелементного з’єднання з кількістю елементів, що приєднуються, k усі розрахунки повторюються в циклі окремо для кожного наступного елементу, причому для кожного наступного технологічного переходу враховується зміна температурного поля складальної одиниці. На останньому етапі проектування визначається технологічна собівартість складальної операції.

Третій розділ присвячений експериментальним дослідженням процесів, що відбуваються при складанні з’єднань з використанням нагріва охоплюючої деталі. Дослідження виконувалися в лабораторних умовах на експериментальних та натурных зразках, лабораторному і промисловому обладнанні. Обчислювальний експеримент проводився з використанням спеціально розроблених комп’ютерних програм. Задачами проведення експериментів було визначення температурного режиму та часу настання теплової рівноваги, що встановилася, базуючого обладнання при циклічній роботі; перевірка адекватності математичної моделі теплового стану елементів технологічної складальної системи їхнім дійсним температурним полям; перевірка достовірності теоретично отриманих значень режимів складання порівнянням їх з експериментальними даними; визначення розсіювання значень температури деталі, що охоплює - колеса тепловозу при серії нагрівів.

Проведено порівняння теоретично отриманих результатів та експериментальних значень. На графіках малюнка 7 наведено зміну температурного режиму та коливань температури базуючої втулки. Таке обладнання використовується при горизонтальному складанні великогабаритних з’єднань при базуванні вала по зовнішній поверхні у призмі, а нагрітої втулки -по внутрішній поверхні на центруючій базовій втулці. При цьому базуюче устаткування має з нагрітою деталлю велику площину контакту, і тому прогрівається за декілька циклів роботи. Розбіжність значень температури точки 1 базуючої втулки (мал.7), що отримані при лабораторному та обчислювальному експериментах знаходиться в межах від 7 до 11 відсотків. Подібні гафіки наведені для інших точок та умов базування.

Мал. 6. Загальний алгоритм проектування

Четвертий розділ присвячений питанням практичної реалізації результатів досліджень. Були розроблені і впроваджені на ВАТ «Турбоатом» технологічні рекомендації та методики розрахунку для складання з’єднань деталей парових і газових турбін. Методики реалізовані у вигляді програми по визначенню режимів і схем складання з’єднань, одержуваних з термодїєю. їхнє використання дозволило знизити енергозатрати на термодію, підвищити продуктивність та одержати річний ефект від впровадження 11.4 гас. грн.

кількість циклів Мал. 7. Нагрів базуючого пристрою

Також впроваджена технологія розбирання та складання колес з валами роторів живильних насосів типу СВПТ-340-1000 на підприємстві по ремонту насосів електростанцій НВФ «Стрида» (м. Харків). В даній технології розраховані режими складання з’єднань з використанням швидкісного індукційного нагріву деталей, що охоплюють. Розроблена технологія підвищує продуктивність та економить матеріальні кошти, що дало можливість отримати річний економічний ефект в сумі 8.7 тис. грн.

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ РОБОТИ

Підсумком роботи є наукові і практичні результати:

1. Розроблена методика визначення режимів складання з’єднань дозволяє знаходити області мінімальних термічних зазорів, в яких виключене заклинювання, в залежності від схеми складання, розмірів та матеріалу деталей, зусилля досилання. Встановлено, що збираємість з’єднань в найбільшому ступені залежить від розмірів деталей, а при певних співвідношеннях довжини та диаметра приєднуємо!' деталі процес сполучення стає нестійким.

2. На підставі запропонованої фізичної моделі складання багатоелементних з’єднань розроблена математична модель, що описує зміни температури в складальній системі, яка включає деталі, елементи базуючого пристосування та транспортного обладнання. Показано, що послідовність складання багатоелементних з’єднань типу вал-втулка змінює температурний стан базової деталі та, відповідно, умови, що забезпечують складання.

3. Дослідження нестаціонарного теплового стану системи базуючий елемент

- деталі при складанні в циклі дозволило визначити погрішності базування, які визвані температурними деформаціями, що дає змогу розраховувати термічний зазор із умови максимальної погрішності базування.

4. Рішення задачи урахування теплових втрат в імовірнісній постановці

дозволило науково обгрунтовано назначати диапазони розсіювання значень лімітуючих параметрів складання. .

5. Запропонований загальний алгоритм проектування технологічного процесу, який ураховує схему складання та відповідні до неї температурні і силові режими, а також втрати енергії, дозволяє забезпечити збираємість при мінімальних енергозатратах, та визначити технологічну собівартість. Алгоритмом передбачено в залежності від змін умов складання корегувати режими.

6. Промислова реалізація запропонованих методик, методів розрахунку, технологічних рекомендацій та алгоритмів проектування складання з’єднань з термодією підтвердила ефективність виконаних розробок.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Чепурко И.П. Обобщенная тепловая модель технологической системы с циклическим режимом работы И Резание и инструмент в технологических системах. - Межд. научн.-техн. сборник. - Харьков: ХГПУ. - 1999, вып.55. - с.229-231.

2. Чепурко И.П., Куприянов A.B. Многопараметрическая модель сборки соединений с использованием термовоздействия // Вестник Харьковского государственного политехнического университета: Новые решения в современных технологиях. - Харьков: ХГПУ. - 1999 - вып.44. - с.35-37.

Здобувачем показаний взаємозв’язок основних параметрів складання та їх взаємовплив. Наведена графічна залежність термічного складального зазору від зусилля та точності складання.

3. Чепурко И.П. Влияние рассеяния технологических параметров на энергопотребление при сборке с термовоздейсгвием // Вестник Харьковского государственного политехнического университета: Новые решения в современных технологиях. - Харьков: ХГПУ. - 1999- вып.75. - с.31-33.

4. Чепурко И.П. Повышение качества продукции машиностроения в сборочном производстве // Вестник науки и техники. - Харьков. - 1997. - Вып.1. -с.32-35.

5. Куцын А.Н., Чепурко И.П. Применение информационных технологий для повышения качества сборочных соединений // Сборник научных трудов Харьковского института социального прогресса. - Харьков: КиПи - 1997. - Вып.2. -с.166-168.

Здобувачем наведені умови, при яких буде забезпечено збираємость з’єднань. Запропоновані розрахункові схеми та послідовність винаходження параметрів складання за допомогою ЕОМ. Представлено графік визначення термічного зазору з виділенням тих областей, де складання не можливе.

6. Куцын А.Н., Чепурко И.П. Качество изделий и потери производителя // Прогрессивные технологии машиностроения и современность. Сборник трудов межд. научн.-технич. конф. 9-12 сент. 1997. - Донецк: ДонГТУ, - 1997. - с.143.

Здобувачем показано, як виникають енергетичні втрати в умовах дійсного виробництва. Вказано на необхідність урахування втрат на етапі технологічної підготовки складання.

7. Арпентьев Б.М., Чепурко И.П. Тепловые процессы в технологической системе сборки, использующей термовоздействие II Критические технологии, автоматизация проектирования и производства изделий в машиностроении: Сборник научных статей по материалам 4-й межд. научн.-методич. конф. Киев.: ИСМО. Алушта. - 1997. - с.41-43.

Здобувачем розглянуті особливості теплових процесів, що спостерігаються при циклічному базуванні та багатоелементному складанні. Запропоновано математичну модель теплового стану складальної системи та послідовність її реалізації.

8. Арпентьев Б.М., Чепурко И.П. Технологическое обеспечение ресурсосбережения при сборке с использованием термовоздействия // Сборник научных трудов Харьковского института социального прогресса. - Харьков: ХИСП. - 1998 -вып.З. - с.100-103.

Здобувачем показано механізм виникнення втрат енергії за рахунок імовірностного розсіювання лімітуючих параметрів технологічного процесу складання.

9. Арпентьев Б.М., Чепурко И.П. Базирование деталей при сборке соединений с использованием термовоздействия // Машиностроение и техносфера на рубеже XXI века: Томі: Межд. сборник научн. трудов: Прогрессивные технологии и системы машиностроения. - Донецк: ДонГТУ, - 1998. - с.32-35.

Здобувачем зроблено обзір експериментальних досліджень по визначенню температури та температурних деформацій деталей та контактуючих з ними частин базуючого устаткування при циклічній роботі.

10. Арпентьєв Б.М., Чепурко І.П. Зниження енерговитрат при зборці нерухомих з’єднань з використанням термовпливів // Сучасні інформаційні та енергозберігаючі технології життєзабезпечення людини. - Збірник наукових праць. -Київ: ”ФАДА,ЛТД”. -1999 - вип.№6. - с.117-120.

Здобувач наводить один із засобів зниження енерговитрат - складання з оптимальними режимами. Наведено графічну залежність для визначення оптимальної температури термовпливу та складального зазору.

11. Арпентьев Б.М., Чепурко И.П. Компоновка станков для сборки с использованием термовоздействия // Прогрессивная техника и технологии машиностроения: Тез. докл. межд. научн.-технич. конф. 12-15сент. 1995. - Донецк: ДонГ-ТУ,- 1995.-С.12-13.

Здобувачем показано, як впливає схема складання на термічний зазор. Надані рекомендації щодо вибору схеми складання в залежності від геометричних розмірів деталей.

12. Чепурко И.П., Макушенко Т.В. Базирование деталей при сборке соединений с термовоздействием // Прогрессивная техника и технологии машиностроения: Тез. докл. межд. научн.-технич. конф. 12-15сент. 1995. - Донецк: ДонГТУ, -1995. - с.260-261.

Здобувачем розглянута горизонтальна схема складання при базуванні на центруючій втулці та запропоновано використати метод кінцевих різностей для визначення температурних полів базуючого устаткування.

13. Куцын А.Н., Чепурко И.П. Модульное оборудование для технологий, использующих термовоздействие // Современные проблемы машиностроения и технический прогресс: Тез докл. межд. научн.-технич. конф. 10-13 сент. 1996. -Донецк: ДонГТУ, - 1996. - с.139.

Здобувач доводить необхідність розробки модульного обладнання для складання з використанням термодії. Перераховані модулі, які можливо використати для складання з’єднань з натягом індукційно-тепловим засобом.

АНОТАЦІЇ

Чепурко І. П. Зниження енерговитрат при складанні з термодією технологічними засобами. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.02. 08 - технологія машинобудування. - Харківський державний політехнічний університет, Харків, 2000.

Дисертація присвячена питанням складання з’єднань з натягом при використанні термодії. Встановлений взаємозв’язок між параметрами, які визначають витрати енергії. Розроблено методику та алгоритм визначення раціональних по собівартості режимів складання. Надані технологічні рекомендації щодо вибору схеми складання. Розроблено математичну модель для вирішення задач теплопереносу в елементах системи, до якої входять деталі та базуючи пристрої. Приведено алгоритми визначення температурного стану системи при циклічному базуванні та багатоелементному складанні. Розроблено методику визначення втрат енергії, що грунтується на імовірносному підході.

Запропоновано загальний алгоритм проектування технологічного процесу складання з термодією. Результати дисертаційної роботи впроваджені у виробництво.

Ключові слова: взаємозв’язок параметрів, режими складання,

температурний стан, система, втрати.

Chepurko І.Р. The cost of the energy decline for heat assembly by the technological ways. - Manuscript.

The candidate of the technical science thesis. Speciality 05.02.08 - Technology of Mechanical Engineering. - Kharkov State Politechnical University, Kharkov, 2000.

The thesis examines the engineer methods of the charges decrease for the assembly by heating for the slick joints with interference. It is suggested the general algorithm of the assembly by heating design. The quations of assembly clearance definition from the unjamming condition lets to project for any assembly scheme or layout. The methods of the solution for the heat transferring in assembly elements for cyclic fitting and multiunit assembly are offered. The method of the manufacture waste determination are built by probabilistic approach. The experiment makes good the theoretical efforts and the software for personal computer is developed.

Key words: parameters correlation, assembly modes, temperature condition, system, costs.

Чепурко И.П. Снижение энергозатрат при сборке с термовоздействием технологическими способами. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.02.08 - технология машиностроения. - Харьковский государственный политехнический университет, Харьков, 2000.

Диссертация посвящена вопросам сборки с термовоздействием гладких ци-линдричеких соединений с натягом.

Диссертационная работа состоит из вступления, 4 разделов, выводов, списка использованных источников, приложений.

В первом разделе проведен анализ литературы по вопросам сборки соединений, получаемых с использованием термовоздействия. По результатам анализа установлено, что параметры сборки рассматривались разрозненно. Определено, что основным параметром технологического процесса сборки (ТПС) соединений с гермовоздействием является термический сборочный зазор, так как он определяет расход энергии, производительность и качество сборки. От сборочного зазора зависит собираемость соединений, т.е. возможность сборки без заклинивания и преждевременного скрепления деталей. Анализ существующих зависимостей по определению термического зазора показал, что учитываются не все влияющие на него факторы.

Проведен анализ литературы, описывающей тепловые процессы при сборке. Отмечено, что существующие аналитические зависимости учитывают распространение тепла только в собираемых деталях. Исследованы вопросы, рассматри-

вающие возможные потери при сборке, которые предлагается выявлять и учитывать на стадии проектирования.

Второй раздел посвящен разработке методики определения силовых и температурных режимов сборки, анализу рассеяния лимитирующих параметров Приведены расчетные схемы, на которых показаны погрешности ориентированю и базирования деталей. На их основе выведены зависимости по определению сборочного зазора, которые охватывают все возможные варианты сборки.

Разработаны алгоритм и программа для ЭВМ по определению режим« сборки: минимального сборочного зазора, температуры термовоздействия, усилю сборки. Рассмотривая их во взаимосвязи, появилась возможность выбора режимов, обеспечивающих качественную сборку при минимальном расходе энергии Отмечается, что наибольшее влияние на величину сборочного зазора оказываю: геометрические параметры собираемых деталей. В зависимости от них приведень технологические рекомендации по выбору схемы сборки и термического зазора.

При исследовании температурного взаимодействия собираемых деталей необходимо учитывать распространение тепла в контактирующих с ними базирующих и транспортных элементах оборудования. Для этого рассмотрена тепловая система, включающая детали и сборочное оборудование. Разработана математи ческая модель, описывающая теплообмен между элементами сборочной системь в любой момент времени. Она реализована в численном виде с использованием, метода конечных разностей. Исследование температурных полей элементов сис темы особенно актуально для сборки многоэлементных соединений и при циклической работе оборудования. Изменение температуры базирующего устройств, приводит к появлению температурных деформаций и, как следствие, погрешно стям базирования. Разработаны алгоритм и программа для ЭВМ по определеник температурного состояния деталей и базирующего устройства сборочного при способления. Учет температурных деформаций дает возможность корректироват) величину термического сборочного зазора для различных циклов сборки и техно логических переходов многоэлементной сборки. Это улучшает собираемость 1 минимизирует энергозатраты.

Разработан общий алгоритм проектирования ТПС. Он позволяет рассматри вать различные схемы сборки для двух- и многоэлементных соединений, цикли ческую работу оборудования, и учитывать потери при сборке. Потери возникаю' при отклонении технологического параметра от заданного значения. Количест венно потери оцениваются в затратах, связанных с излишним расходом энергш или выпуском бракованной сборочной единицы. Предложено учитывать потер! при расчете себестоимости сборки. Для их определения использован вероятност ный подход, рассматривающий рассеяние значений лимитирующих параметро] сборки. К лимитирующим относятся параметры, оказывающие наибольшее влия ние на собираемость: сборочное усилие, точность оборудования, натяг в соедине

НИИ.

Третий раздел посвящен экспериментальным исследованиям процессов пр] сборке соединений с использованием нагрева охватывающей детали. Исследова ния выполнялись в лабораторных условиях. Вычислительный эксперимент прово дился с использованием специально разработанных компьютерных программ

Зроведено сравнение теоретически полученных результатов и эксперименталь-[ых значений; их расхождение находится в пределах от 7 до 11%.

В четвертом разделе показана практическая реализация результатов работы, їрименение методик расчета и технологических рекомендаций позволяет снизить нергозатраты и повысить эффективность сборки с термовоздействием.

Ключевые слова: взаимосвязь параметров, режимы сборки, температурное остояние, система, потери.