Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Повышение долговечности автомобилей на основе реновации ресурсоизношенных деталей : 7
1.1 Технико-экономическая целесообразность реновации изношенных деталей автомобиля. 7
1.2 Проблемы реновации деталей ходовой части автомобильной техники ... 19
1.3 Выводы по разделу. 28
ГЛАВА 2: Надежность сферических шарниров 29
2:1. Исследование долговечности сферических шарниров в условиях эксплуатации: 29
2.2. Исследование износов шаровых пальцев реактивной штанги и рулевого привода 37
2.3. Выводы по разделу. 53
ГЛАВА 3. Математическое моделирование накопления повреждений при эксплуатации деталей, влияющих на активную безопасность автомобиля . 55
З.Г.. Модель совместно протекающих абразивного и усталостного износов деталей, влияющих на активную безопасность автомобиля 55
3.2. Разработка В-моделей и их использование при проектировании деталей автомобиля и способов их реновации ; 61
3.3; Выводы по разделу 86
ГЛАВА 4. Восстановление ресурса шаровых пальцев сферических шарниров автомобиля 87
4:1. Разработка конструкции промышленной установки и технологического процесса восстановления шаровых пальцев пластическим деформированием... 89
4.2. Оценка надежности деталей после восстановления . 107
4.3. Экономическая эффективность внедрения результатов исследования... 114
4.4. Выводы по разделу 121
Заключения; выводы; рекомендации 123
Библиографический список литературы
- Проблемы реновации деталей ходовой части автомобильной техники
- Исследование износов шаровых пальцев реактивной штанги и рулевого привода
- Разработка В-моделей и их использование при проектировании деталей автомобиля и способов их реновации
- Оценка надежности деталей после восстановления
Проблемы реновации деталей ходовой части автомобильной техники
Заметный рост объема и номенклатуры восстанавливаемых деталей явно не удовлетворяет сложившейся ситуации. Фактически восстанавливается 10... 15% деталей узлов и агрегатов, поступающих в капитальный ремонт, при том, что до 70% деталей автомобиля могут подлежать восстановлению [44, 45]. Следовательно, 55...60% деталей, которые могут быть восстановлены, идут на утилизацию из-за отсутствия простых недорогих, производительных и упрочняющих технологий восстановления. Поэтому разработка и внедрение новых методов восстановления работоспособности изношенных деталей (рис. 1.3), являясь альтернативой покупке запасных частей, может кардинально изменить положение, сложившееся в ремонтно-обслуживающей базе. А также позволит снизить себестоимость автомобильных перевозок, увеличить долговечность и эффективность эксплуатируемой техники. Квалифицированная работа конструкторов и технологов на стадии проектирования и изготовления не всегда обеспечивает ожидаемые результаты в эксплуатации [30, 37]. Следовательно, работа над новой конструкцией должна Щ,( учитывать рациональное решение вопроса! ремонтопригодности., А проблема обеспечения; высокой технической готовности и максимальной длительности работоспособного периода автомобиля должна решаться на всех этапах его полного жизненного цикла. Научно-технические проблемы, которые необходимо1 решать при использовании реновации деталей как средства удлинения ПЖЦ автомобиля (см. рис. 1.3): Ш 1. Разработка конструктивных дополнений в проектировочные решения, с учетом последующего восстановления деталей; 2. Разработка и внедрение новых методов? восстановления; работоспособности изношенных деталей; 31 Разработка методики оценки ресурса деталей после восстановления;. 4: Разработка метода оценки экономической- эффективности! от восстановления деталей.. Крупные автотранспортные1 предприятия, базы централизованного ЩІ технического обслуживания, авторемонтные предприятия имеют большой; объем информации [81, 42, 43] о состоянии деталей, узлов, агрегатов, поступающих в ремонт, видов дефектов, величине и характере износов; и ї т. п.. Обработка данной информации позволяет получить законы распределения отказов, оценку функции и плотности І распределения, а также оценку математического ожидания и дисперсии. Согласно приведенной» на рис. 1.4 схеме [124 125], можно выработать конструкторско-технологические решения по совершенствованию деталей узлов и агрегатов автомобиля как с точки г (Щ) зрения производства и эксплуатации, так и с учетом последующего методах восстановления. Эффективность конструкторско-технологических решений определяется в ходе эксплуатационных испытаний. Положительные результаты модернизации деталей, узлов и агрегатов могут быть реализованы в серийном и ремонтном производствах. Эксплуатационная информация о состояние систем, ацуегятов и узлов автомобиля: - изменение (дрейф) параметров и характеристик в щхщессе ві іраоотки ресурса; -диагностика технического состояния; - отказы, неисправности, дефекты деталей; 2. Статистическая информация о состоянии автомобилей поступающих в ремонт: - состояние систем; - состояние агрегатов; - состояние узлов;. - состояние деталей; 3. Анализ статистической информации, поступающей со стадии эксплуатации и ремонта: 3.1. Выработка конструктивно-технологических решений по совершенствованию: - систем автомобиля; - констукнии узлов и деталей; - применяемых материалов; технологии серийного производства; - технологии ремонтного производства; - методов зкеплуаташш; 3.2. Выбор метода восстановления ресурсоизношенных деталей с учетом: - вида дефектов; качество и материал восстанавливаемой детали; использованной при изготовлении термической обработки; - величины износа и др.; Л 4. Проведение технологических и квалификационных испытаний, с целыо проверки эффективности конструктивно- технологических решений:. - модернизированных деталей, узлов агрегатов в серийном производстве; - модернизированных деталей, узлов в ремонтном производстве; модернизированных деталей в сфере восстановления; 5. Реализация копетруктйвпо-технологических решений по совершенствованию деталей, узлов, агрегатов в серийном и ремонтном производстве; б. Подтверждение эффективности принятых решений по изменению конструкции деталей, узлов, агрегатов, технологии серийного и ремонтного производства в условиях эксплуатации;
Особо следует отметить положительную сторону восстановления деталей в экологическом аспекте: на производство автомобильной техники приходится примерно половина всех вредных выбросов; расходы металла на выпуск запасных частей достигают 40% от общего объема металла, используемого автомобильной промышленностью [79]; утилизация требует разборки автомобиля; при использовании деталей как металлолома вредные выбросы снижаются только на 50% и требуют затрат до 70% от стоимости новых изделий [153]. Из приведенных гистограмм [80]; показанных нарис. 1.5, видно, что при восстановлении ведущего моста автомобиля ЗИЛ-130 затрачивается 5,6 кг материала, требуется 22,4 МДж энергии, а вредные выбросы составляют 0,45 кг - это в 19,2 раза, в 22,4 раза, в 19,6 раза соответственно меньше, чем при его изготовлении.
Неравнопрочность деталей и различные условия эксплуатации автомобиля обуславливают необходимость восстановления деталей автомобиля [71, 72, 86, 95, 99]. Около 80% деталей автомобилей имеют средний износ от 0,1...0,3 мм (табл. 1.1) и лишь в отдельных случаях - более 0,5 мм [59]. Потеря веса и изменение размеров у этих деталей очень малы: потеря веса по сравнению с новыми деталями составляет 0,5...3,5%, а изменение размеров - 1,2...8% [98, 135,138].
Исследование износов шаровых пальцев реактивной штанги и рулевого привода
Как показывает эксплуатационная практика, основными причинами выхода из строя большинства автомобильных деталей являются износ, усталость, пластические деформации, а также хрупкие разрушения из-за превышения нагрузкой прочности материала. Режимы работы деталей сферических шарниров, применяемых в подвеске автомобиля ив элементах рулевого управления, можно охарактеризовать следующими параметрами: широкий диапазон динамических нагрузок на узлы трения, граничной смазкой рабочих поверхностей, изменение площади контакта между трибологическими парами в процессе эксплуатации, возможностью попадания абразивных частиц в зону трения и др. Перечисленные режимы работы, независимо от предусмотренных планово-предупредительных мероприятий в рамках системы массового обслуживания, приводят к интенсивным износам узлов трения. При предельных величинах износа возможность отказа основных агрегатов резко возрастает.
Фотографии ШП реактивной штанги и рулевого привода после эксплуатации с указанием зоны и вида дефекта представлены на рис. 2.4. При обследовании партии деталей каждого наименования были обнаружены следующие виды дефектов: абразивное и усталостное изнашивание, деформация, коррозионные повреждения. Наличие, место расположения и процентное отношение обнаруженных дефектов от общего количества деталей представлены в табл. 2.7.
Для принятия решения при выборе способа реновации и его параметров важно знать характер износов, происходящих при эксплуатации. Установлено, что доминирующим видом потери работоспособности СШ является абразивный износ сферической головки ШП, параллельно с которым происходит накопление усталостных повреждений металла в опасном сечении перехода сферической части в коническую.
Основной причиной потери работоспособности сферических шарниров является изнашивание сопряженных деталей: в данном случае пар вкладыш -ШП. Изнашивание зависит от ряда факторов, в частности от условий трения. Таблица 2.7 Виды дефектов, образующихся на ШП реактивной штанги и рулевого привода
Как известно, в сферических шарнирах имеет место граничное трение — это трение движения двух твердых тел, имеющих на своих поверхностях незначительный слой смазочного материала [45].
Для разработки конструкторско-технологических решений по совершенствованию ШП, а также для выбора и разработки методов восстановления данных деталей, потребовалось проведение исследования величины и характера износа; Процесс измерения величины радиального износа сферической головки ШП реактивной штанги показан на рис. 2.5. Исследования величины и характера износа ШП проводились в следующей последовательности: ШП 3 согласно схеме рис. 2.6 устанавливалась на токарном станке 1К62. С помощью держателя 6 индикатор (часового типа) 7, точность измерения 0,01 мм, закреплялся в резцедержателе станка, с таким расчетом, чтобы ось индикаторной головки находилась на одной высоте с осью вращения ШП. Резцедержатель, с закрепленным на нем индикатором, продольной подачей устанавливался на наружную поверхность центрирующего патрона 2, имеющего наружный диаметр 40 ±0,01. Индикатор устанавливался на «ноль».
Далее наконечник 8 индикатора 7 с помощью продольной подачи токарного станка совмещался с торцом шаровой головки исследуемой детали. Лимб продольной подачи токарного станка устанавливался на «ноль».
Отсчет угла поворота ШП относительно индикатора производился с помощью лимба 9 со шкалой градусов и указателя 10, установленных на корпусе и шпинделе токарного станка соответственно.
Величина износа определялась как разность значений радиусов изношенного и начального размера шаровой части детали в соответствующей плоскости (см. приложение табл. 1-2): &ij=RiH-Rij изн, номер пояса измерений; у - номер полуплоскости измерения; Ry - радиус изношенной шаровой части в /-том поясе у-ой полуплоскости, мм; Rt# — начальный радиус шаровой части в /-том поясе, мм. Д/( ) = Vfc)2-( -«)2 , (2.29) где Ящ - радиус шаровой І части детали; а — расстояние от торца детали до центра сферы. Для ШП реактивной штанги n=5, т=6, Ящ=60 мм, а =23 мм. Для ШП рулевого привода п=16, т=6, Ящ=45 мм, а =19 мм. За начальный размер соответствующей плоскости шаровой части детали была принята середина поля допуска на его изготовление. Из графиков (рис. 2.7, рис. 2.8), построенных по результатам микрометрирования, с учетом поясов и полуплоскостей измерений, сделаны следующие выводы о наибольшем радиальном износе сферической головки ШП:
Разработка В-моделей и их использование при проектировании деталей автомобиля и способов их реновации
Исчерпание ресурса детали происходит с разной интенсивностью (рис. З.Г, в), причем у абразивного износа она во много раз выше по отношению к усталостному износу {L »L ). В данном случае восстановление по усталостному износу детали не требуется, а реновация по износу может быть проведена N раз.
Из рассмотренных моделей повышения протяженности ПЖЦ ШП за счет реновации характерной для практики эксплуатации является вторая модель.
Для установления вида функции Р=ДЬ) интенсивности изнашивания рабочих поверхностей сферических шарниров, которые в вышеприведенных моделях для упрощения построения имели линейные зависимости, воспользуемся зависимостями, предложенными, профессором Денисовым А.С. и доцентом Басковым В.Н. [36]:: ac = aVo+av{\-e- v), (ЗЛ) где ссу - скорость изнашивания при постоянной скорости относительного перемещения деталей; V - скорость относительного перемещения деталей;, ау, Ьу - не зависящие от скорости коэффициенты, обусловленные физико-механическими характеристиками трущихся тел и другими особенностями; сопряжений.
Скорость взаимного перемещения деталей сферических шарниров может быть определена исходя из вертикальных колебаний балансирной подвески автомобиля 6x4, описываемых уравнениями (подрессоренная масса М заменена эквивалентными массами М/ и М (рис. 3.2), расположенными над передней и задней осью) [3,4]: где Л/ - подрессоренная масса; ті, Ш2 — неподрессоренные массы среднего; и заднего мостов соответственно; Ср, Сш — жесткость рессоры и шин одного моста; z,х- вертикальные перемещения подрессоренной» и неподрессоренной масс, взятых от положения статического равновесия; С, — изменение высоты неровностей продольного микропрофиля дороги под колесами автомобиля.
Базой? для прогнозирования усталостного г износа: является; уравнение кривой усталости, характеризующей зависимость числа циклов до разрушения от амплитуды напряжений. Многочисленными исследованиями обосновано? несколько уравнений кривой усталости и различные методы прогнозирования надежности деталей по усталостной долговечности [48; 50, 67, 84 87, 115-122], необходимых для расчета деталей при конструировании.
В общем случае процесс накопления кумулятивных повреждений является; нестационарным случайным процессом, обычно? монотонно возрастающим. Систематизированная блок-схема расчетов на усталостную долговечность деталей автомобиля, предложенная Лукинским B.C. ш Зайцевым Е.И: [67], позволяющая проследить основные: этапы и возможные варианты расчета, представлена на (рис. 3.3). Вг данной блок-схеме выделены четыре основных блока: 1 и 2 блок - определение и схематизация нагрузочного режима; 3 блок — определение параметров кривой усталости; 4 блок- выбор варианта расчета.
Схема определения усталостной долговечности подобия и корреляции; экспериментальными исследованиями. Входными параметрами аналитической модели узлов и агрегатов являются возмущающие воздействия, а результирующим является нагрузочный режим. Параметры г} нагрузочного режима могут быть определены с использованием основных положений статистической динамики.
Процесс накопления необратимых изменений называется процессом кумулятивных повреждений [13, 9 0]., Примерами кумулятивных повреждений могут быть такие физические явления, как коррозия, эрозия, износ, выносливость, рост усталостных трещин и т.п.
Разработка В-моделей и их использование при проектировании деталей автомобиля и способов их реновации Для установления вида функции P=j[L) произведем моделирование процесса накопления кумулятивных повреждений, используя В-модели (В модель, согласно Bogdanoff J.L. и Kozin F. [155, 156], вероятностная функция распределения долговечности изделия, получаемая с использованием матриц переходных вероятностей).
Процесс накопления кумулятивных повреждений; на примере износа ШП, может быть представлен в виде графика (рис: 314). Кривые d,{L),. (i...n) называются выборочными функциями процесса кумулятивных повреждений (износа). С увеличением числа контролируемых шаровых пальцев соответственно увеличивается количество выборочных функций. Если составить возрастающий; вариационный ряд эмпирическая функция распределения отказа ШП в зависимости от пробега автомобиля будет определяться следующим образом:
Оценка надежности деталей после восстановления
Восстанавливаемая деталь 21 предварительно нагревается в установке безокислительного нагрева (соляная ванна) до температуры горячей деформации (0,7...0,8 Тпл) ш устанавливается на, упор 3; обеспечивающий фиксирование детали до закрытия секций; матрицы. При движении ползуна пресса вниз правая секция матрицы посредством клина 16 по направляющим 19 передвигается в рабочее положение. Геометрические размеры клина подобраны таким образом, чтобы создаваемый предварительный натяг между матрицами обеспечивал исключение возможности» их раскрытия, тем; самым гарантируя отсутствие затекания металла в стык. Восстанавливаемая деталь 21 зажимается между двумя секциями матрицы 4 и 19. Пуансон 6 внедряется в деталь и за счет пластического деформирования металла детали?заполняет полости?22 между матрицей и изношенной поверхностью ШП.
После осуществления процесса восстановления возвращение устройства в исходное, положение обеспечивается наличием оттяжных пружин 15; размещенных в пуансонодержателе 8. Ход пружин ограничивают упорные болты 14, закрепленные в плите подкладной 7.. Во время движения верхней плиты 10 вверх поднимается и клин 16, позволяя правой секции матрицы 20 за счет пружин 18, действующих через упорные болты 17, вернуться в исходное положение. Восстановленная деталь удаляется через отверстие в корпусе 2.
Механическая обработка ШП после пластического; деформирования; аналогична технологическому процессу изготовления -данных деталей. Разница лишь в том, что после восстановления обработке подвергается только шаровая часть детали. В связи с этим наиболее рационально использовать оборудование и инструмент, соответствующий разработанному технологическому процессу изготовления ШП В некоторых случаях при штамповке излишек металла; может втесниться в облой. Поэтому необходимо произвести операции точения. Токарная обработка производилась на токарно-копировальном станке «Reedmatic» применением резцов Г с многогранными неперетачиваемыми пластинами 2 (рис. 4.9).
Глубина резания t при черновом точении и отсутствии ограничений по мощности оборудования, жесткости системы СПИД принимается равной припуску на обработку. При параметре шероховатости Яа=Ъ,2 мкм, /=1,5 мм.
Подача s при черновом точении принимается максимально допустимой по мощности оборудования, жесткости системы СПИД, прочности режущей пластины и прочности державки. С учетом диаметра детали размера державки величина подачи равна s= 0,5 мм/об.
Силу резания Р принято раскладывать на составляющие силы, направленные по осям координат станка (тангенциальную Р2, радиальную Ру и осевую Рх). Эти составляющие рассчитываются из уравнения [85]: PiyjrlOCpfMKp. (4.13) где /-длина лезвия резца, мм; С -коэффициент; х, у, z - показатели степени; х=1,у=0,75, п=-0,15, Ср=300. Кр=Кмр КГр К Кгр (4.14) где Кмр, Кур, Кгр- коэффициенты? учитывающие фактические условия резания. Р2 =5367 Н. Мощность резания рассчитывалась из выражения [85, 112]: N= P V ,. (4.15) 1020-60 v ЛГ=10кВт; 6. Термообработка производилась на установке ТВЧ «Инду кал». 7. Шлифовка. Разработку режима резания при шлифовании начинают с установления характеристики инструмента. Основными параметрами резания при шлифовании являются: - скорость вращательного движения заготовки V3, м/мин; - скорость вращения круга VK, м/мин; - глубина шлифования t, мм, V3 =17,8 м/мин; Гк=45 м/мин; /=0,01 мм; Эффективная мощность при шлифовании [89]: N = CNvu3txb\ (4.16) где Ь— ширина шлифования, мм; См — коэффициент; х, у, z - показатели степени; Ь=42 мм; д=0,5; r=0,7;z=0,6; Qv=0,59. Шлифовка: осуществлялась. на бесцентрово-копировальном полуавтомате «Микроза» SALS 125/1 А. Восстановленная деталь укладывалась на опорный нож 4 (рис. 4.10), подводились ведущие круги 3, а затем осуществлялось шлифование с помощью абразивного круга 1.
Разработанный алгоритм реализации реновации ШП пластическим деформированием (рис.4.11) состоит из следующих этапов. Поступившую на восстановление ШП подвергают дефектации, при обнаружении на поверхности усталостных трещин или сколов деталь утилизируют. Объем потерянного металла в ходе изнашивания определяют сравнением весовых параметров восстанавливаемой детали с серийной, формируя в группы. В зависимости от порядкового номера осуществляемого восстановления, рассчитывают параметры (глубину внедрения пуансона hB) выдавливаемой полости: при реновации только геометрических размеров детали глубину внедрения пуансона выбирают из диапазона значений /гв=(0,2...0,4)-)ш; при реновации еще и физико-механических свойств металла детали - /гв=(0,6...0,8)-Д„. Наладка устройства заключается в установке требуемого пуансона. Заключительной стадией алгоритма является проведение контрольных замеров геометрических параметров восстановленных пластическим деформированием ШП и выборочная проверка стендовыми испытаниями их усталостной долговечности.
