Введение к работе
Актуальность проблемы. Завершающим этапом выпуска продукции машиностроения является операция сборки, от качества которой в значительной степени зависят надёжность и долговечность работы машин и механизмов.
В настоящее время на некоторых сборочных операциях, где требуется обеспечить высокое качество, отсутствуют надёжные средства механизации. К ним относятся изделия, узлы и детали которых скрепляются групповыми резьбовыми соединениями.
Для обеспечения качественной механизированной сборки изделий с групповыми резьбовыми соединениями сформулируем требования, выполнение которых гарантирует качество:
- погрешности осевых сил затяжки резьбовых соединений не должны пре
вышать 6% от номинальных значений;
- синхронная затяжка соединений должна начинаться одновременно.
Эти требования возникли из практики сборки изделий.
К изделиям, где требуется обеспечить качественную с учётом герметичности стыков сборку узлов и деталей, скрепляемых групповыми резьбовыми соединениями, относятся гидрораспределители машин и экскаваторов, узлы гид-ро- и пневмоагрегатов, головки цилиндров двигателей и другие изделия. А к изделиям, где требуется исключить перекосы сопрягаемых поверхностей, соединяемых узлов и деталей, при сборке перед обработкой отверстий под подшипники и при их окончательной сборке с установкой вкладышей относятся шатуны, картеры двигателей и другие.
Как ручная, так и механизированная технологии сборки изделий с групповыми резьбовыми соединениями с установкой и без установки уплотнений осуществляются на основе
перекрёстного способа завинчивания и затяжки;
способа сглаживания.
При механизированной сборке используют одношпиндельные завинчивающие устройства, которые различаются по принципу действия, конструктивно, а главное, - по точности обеспечения осевых сил затяжки, погрешности которых могут колебаться в пределах 30... 70% от требуемого значения.
Применение этих технологий в производстве показало, что они эффективны только при жёстком скреплении узлов и деталей.
На практике качественную сборку изделий с групповыми резьбовыми соединениями обеспечивают за счёт высокой квалификации сборщика, который затяжку осуществляет при помощи моментного ключа путём неоднократной затяжки и ослабления соединений.
В производстве для скрепления узлов и деталей групповыми резьбовыми соединениями пытались применять многошпиндельные гайковёрты.
Существуют конструкции многошпиндельных гайковёртов, которые работают от одного привода, но есть и такие гайковёрты, у которых каждый шпиндель имеет автономный привод. Погрешности осевых сил затяжки этих гайковёртов могут колебаться в пределах 12.. .20% от требуемого значения.
Тем не менее, они также не обеспечивают качественную, с учётом герметичности стыков, сборку групповых соединений в связи с неодинаковой продолжительностью завинчивания резьбовых деталей до момента начала затяжки из-за неодинаковой глубины ручного наживления и разной длины нарезанной резьбы, исключая синхронность затяжки.
На основании изложенного можно утверждать, что в производстве существует проблема повышения производительности и качества сборки изделий, узлы и детали которых скрепляются групповыми резьбовыми соединениями. Решить проблему возможно только на основе создания высокоточных многошпиндельных гайковёртов, обеспечивающих синхронную затяжку, а следовательно, и требуемое качество сборки.
Целью настоящего исследования является повышение производительности и качества сборки изделий с групповыми резьбовыми соединениями на основе создания универсальных, высокоточных многошпиндельных гайковёртов с пассивной адаптацией по моменту сопротивления и синхронной затяжкой соединений, гарантирующих требуемое качество.
Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:
выявление взаимосвязей между механизированной качественной сборкой изделий с групповыми резьбовыми соединениями и конструктивными особенностями завинчивающих устройств;
обоснование параметров и режимов работы завинчивающих устройств, при которых обеспечивается требуемое качество сборки;
- разработка многоканальных структурных схем управления процессом
сборки групповых резьбовых соединений с активными обратными связями;
разработка кинематических схем высокоточных, многошпиндельных гайковёртов на основе как пассивных обратных связей управления по моментам, так и без них;
обоснование точности затяжки групповых резьбовых соединений многошпиндельными гайковёртами;
- обоснование динамических характеристик работы элементов много
шпиндельных гайковёртов, обеспечивающих требуемую точность затяжки;
экспериментальное подтверждение работоспособности многошпиндельных гайковёртов и точности затяжки групповых резьбовых соединений;
разработка методологии проектирования многошпиндельных гайковёртов.
Научная новизна работы
Обоснована методология разработки высокоточных многошпиндельных гайковёртов нового класса с пассивной адаптацией по моментам сопротивления при завинчивании и синхронной затяжкой на основе выявленных взаимосвязей между параметрами качественной сборки и конструктивными особенностями завинчивающих устройств, гарантирующих это качество.
Впервые получены математические зависимости погрешностей осевых сил затяжки от:
частоты вращения шпинделя, параметров гайковёртов, резьбовых деталей в момент начала затяжки;
не одновременности начала и продолжительности завинчивания резьбовых деталей с учётом пассивной адаптации и отношения передаточных отношений быстроходной и тихоходной ветвей вращения.
3. Впервые обоснована взаимосвязь предельных скоростей вращения
шпинделей и погрешностей осевых сил затяжки резьбовых соединений в про
цессе сборки.
4. Впервые учтён упругий и упруго-пластичный удар элементов механиз
мов на предельных режимах работы гайковёрта.
Методы исследования. В работе использовались аналитические и экспериментальные методы исследований, а также моделирование процессов сборки: структурные схемы управления процессами сборки резьбовых соединений разрабатывались и исследовались методами автоматического управления и регулирования; кинематические схемы гайковёртов разрабатывались на основе структурных схем с учётом логического анализа; точностные характеристики затяжки резьбовых соединений гайковёртами обосновывались на основе теории кинематики и динамики движений; предельные режимы работы элементов механизмов гайковёртов определялись с учётом теории удара; основные параметры гайковёртов обосновывались с учётом положений теории деталей машин, динамики движения и герметизации соединений; оценка достоверности теоретических исследований работы многошпиндельных гайковёртов нового класса производилась по результатам моделирования процессов предварительной затяжки, экспериментальным данным и испытаниям в условиях производства с использованием специального и стандартного оборудования. Практическая ценность работы заключается в следующем: 1. Разработано семейство оригинальных кинематических схем многошпиндельных гайковёртов нового класса, обеспечивающих производительную и качественную, сборку изделий с групповыми резьбовыми соединениями, с учётом герметичности, которые нашли применение в производстве.
2. Определены параметры гайковёртов, выбор значений которых в процес
се разработки гарантирует обеспечение требуемой точности осевых сил затяж
ки резьбовых соединений:
отношение передаточных отношений быстроходной к тихоходной ветвей вращения;
передаточного отношения от оси муфты предельного момента до оси шпинделя;
момента предварительной затяжки резьбовых соединений.
3. Передана техническая документация, по которой на ОАО «Завод
им. В.А. Дегтярёва» г. Коврова разработаны и изготавливаются гайковёрты для
крепления рельс к шпалам, на ВНИИ «Сигнал», на ОАО «Ковровский электро
механический завод» и ОАО «Ковровский механический завод» созданы мно
гошпиндельные гайковёрты нового класса для сборки специзделий, значитель
но повысившие производительность и качество сборки.
Апробация работы. Результаты работы докладывались на научно-технической конференции «Управление в технических системах. - XXI век» -Ковров: КГТА, 2000 (1 доклад); международной научно-технической конференции «Производственные технологии и качество продукции» - Владимир: ВГУ, 2003 (3 доклада); научно-технической конференции «Прогрессивные технологии» - Рыбинск: РГАТА, 2007 (2 доклада); II научно-технической конференции аспирантов и молодых учёных - Ковров: ГОУ ВПО «КГТА им. В.А.Дегтярёва», 2008 (2 доклада); III научно-технической конференции аспирантов и молодых учёных - Ковров: ГОУ ВПО «КГТА им. В.А. Дегтярёва», 2008 (1 доклада); научно-технической конференции к 100-летию со дня рождения Д.Ф. Устинова - Ковров: ГОУ ВПО «КГТА им. В.А. Дегтярёва», 2008 (2 доклада); международной научно-технической конференции «Современные технологии в машиностроении» - Пенза, 2008 (2 доклада); международной научно-технической конференции «Приоритеты развития отечественного автотракторостроения и подготовка инженерных и научных кадров» - Москва: МГТУ «МАМИ», 2009 (2 доклада); международной научно-технической конференции «Прогрессивные сборочные процессы в машиностроении» - Волгоград, 2009 (2 доклада); международной научно-технической конференции «Вооружение. Технология. Безопасность. Управление» - Ковров: ГОУ ВПО «КГТА им. В.А. Дегтярёва», 2009 (2 доклада); международной научно-технической конференции «Автоматизация: проблемы, идеи, решения» - Севастополь, 2009 (2 доклада); международной научно-технической конференции -Москва: МГТУ «МАМИ», 2008 (2 доклада); международной научно-практической конференции «Фундаментальные проблемы и современные технологии в машиностроении» - Москва: ФГУП Московское машиностроительное производственное предприятие «Салют», 2010 (1 доклад); международном
симпозиуме «Проблемы машиностроения и их высокоэффективные решения» -Москва: МГТУ «Станкин», 2010 (1 доклад); международной научно-технической конференции «Автомобиле- и тракторостроение в России» - Москва: МГТУ «МАМИ», 2010 (1 доклад).
Публикации. По теме диссертации опубликованы 42 работы, среди них разделы в двух учебниках, 1 монография, 19 статей в научных журналах из перечня ВАК РФ, 3 патента на изобретение, 17 публикаций в различных сборниках научных трудов.
Структура и объём диссертационной работы. Работа состоит из введения, 7 глав, заключения, 3 приложений и списка библиографических источников (120 наименований). Работа содержит 326 страниц сквозной нумерации, включая 66 рисунков и 36 таблиц.
На защиту выносится теоретическое обоснование повышения производительности и качества механизированной сборки изделий с групповыми резьбовыми соединениями на основе разработки высокоточных многошпиндельных гайковёртов нового класса, гарантирующих требуемое качество, включающее:
1. Выявленные взаимосвязи между технологическими параметрами сборки
изделий с групповыми резьбовыми соединениями и конструктивными особен
ностями многошпиндельных гайковёртов нового класса, обеспечивающие:
требуемую точность осевых сил предварительной и окончательной затяжки на основе введения комбинированного способа контроля процесса сборки;
герметичность стыков, скрепляемых узлов и деталей за счёт управления завинчиванием и предварительной затяжки на основе средств пассивной адаптации или переключения вращений с быстроходной, но маломоментной на тихоходную, но высокомоментную, использования одного привода, что обеспечило окончательную синхронную затяжку соединений;
предельные режимы завинчивания и затяжки, при которых гарантируется требуемая точность осевых сил затяжки.
Структурные схемы автоматического управления работой многошпиндельных гайковёртов с обеспечением высокого качества сборки с активными обратными связями по моментам сопротивления в резьбе и технологической последовательностью выполнения сборки резьбовых соединений и условий, гарантирующих синхронную затяжку.
Оригинальные кинематические схемы многошпиндельных гайковёртов нового класса, разработанные на базе структурных схем управления с заменой их элементов на механические аналоги
- с пассивными обратными связями по моментам сопротивления в резьбе в
процессе завинчивания и предварительной затяжки и гарантированной оконча
тельной синхронной затяжкой резьбовых соединений;
с обеспечением предварительной затяжки резьбовых соединений моментами, при которых практически не деформируются уплотнения, остановкой и окончательной синхронной затяжкой;
смешанные схемы с пассивными обратными связями на этапах завинчивания и предварительной затяжки, остановкой и окончательной синхронной затяжкой резьбовых соединений.
Теоретическое обоснование составляющих погрешностей для определения предельных погрешностей осевых сил затяжки резьбовых соединений многошпиндельными гайковёртами нового класса в зависимости от параметров гайковёртов, резьбовых деталей и уплотнений, а также и их физико-механических свойств.
Предельные режимы работы отдельных механизмов гайковёртов с учётом упругой и упруго-пластичной деформаций их элементов в зависимости от их параметров, при которых гарантируется надёжная работа и качество сборки изделий.
Обоснованную методологию разработки сложных механических и электромеханических систем на примере создания многошпиндельных гайковёртов нового класса.
