Содержание к диссертации
1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ 19
1.1. Методы расчета нагруженного состояния деталей и узлов агрегатов 19
1.1.1. Детерминированные методы оценки нагруженного состояния деталей и узлов агрегатов 19
1.1.2. Вероятностные подходы оценки нагруженного состояния деталей и узлов агрегатов 24
1.2. Шестеренный насос как объект исследования нагруженного состояния составляющих агрегат деталей и узлов 27
1.3. Оценка нагруженного состояния деталей и узлов шестеренных насосов 30
1.3.1. Конструктивные особенности шестеренных насосов 30
1.3.2. Существующие методы определения расчетных нагрузок на детали и узлы шестеренных насосов 32
1.3.2.1. Определение крутящего момента, действующего на вал ведущей шестерни по паспортным данным насоса 32
1.3.2.2. Определение радиальных нагрузок, действующие на подшипниковые опоры шестеренных насосов 36
1.3.2.3. Определение момента сил трения в паре трения «торцы зубьев шестерен - подпятник» 37
1.3.2.4. Определение контактных напряжений, действующих в зубчатом зацеплении
шестеренного насоса 38
1.4. Анализ статистики отказов агрегатов во время их эксплуатации, на примере шестеренных насосов авиационного назначения 41
1.4.1. Структура и анализ типовых отказов шестеренных насосов авиационного назначения 43
1.4.1.1. Отказ по дефекту «Колебание давления топлива в двигателе» 43
1.4.1.2. Отказ по дефекту «Падение оборотов двигателя и его останов» 44
1.4.1.3. Отказ по дефекту «Не запуск двигателя» 45
1.4.1.4. Отказ по дефекту «Наличие стружки в фильтре» 46
1.5. Пути повышения ресурса работы шестеренных насосов 47
1.5.1. Технологические вопросы изготовления, сборки и ремонта шестеренных насосов 48
1.5.2. Обзор работ, посвященных исследованиям условий эксплуатации шестеренных насосов и обеспечения их работоспособности 56
1.5.3. Обзор работ, посвященных оценке ресурса работы шестеренных насосов 58
1.5.4. Математические модели шестеренных насосов 61
1.6. Выводы и постановка задач исследования 69
2. РАСЧЕТ ФАКТИЧЕСКОГО ПОЛОЖЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ И УЗЛОВ ШЕСТЕРЕННЫХ НАСОСОВ В СОБРАННОМ ВИДЕ 74
2.1. Векторно-вероятностное представление первичных погрешностей деталей 74
2.2. Векторно-вероятностное представление погрешностей изготовления и монтажа деталей шестеренного насоса 85
2.2.1. Векторно-вероятностное представление погрешностей изготовления корпуса 86
2.2.2. Векторно-вероятностное представление погрешностей изготовления подшипниковых опор 91
2.2.3. Векторно-вероятностное представление погрешностей изготовления шестерен 96
2.2.3.1. Погрешности изготовления опорных шеек валов шестерен 96
2.2.3.2. Погрешности изготовления зубчатых венцов шестерен 98
2.3. Определение положения шестерен в шестеренном насосе 100
2.3.1. Суммирование первичных погрешностей изготовления и монтажа деталей и узлов 100
2.3.2. Расчет текущего положения рабочих осей шестерен 102
2.3.3. Пример расчета суммарных погрешностей и положения шестерен 105
2.4. Результаты и выводы 106
3. АНАЛИЗ ФАКТИЧЕСКОГО НАГРУЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ ДЕТАЛЕЙ И УЗЛОВ ШЕСТЕРЕННОГО НАСОСА 108
3.1. Анализ нагруженного состояния зубчатого зацепления шестеренного насоса 108
3.1.1. Определение коэффициента перекрытия зубчатого зацепления шестеренного насоса 108
3.1.1.1. Влияние погрешности изготовления и монтажа деталей на коэффициент
перекрытия зубчатого зацепления шестеренного насоса 109
3.1.1.2. Влияние погрешности изготовления зубчатых венцов шестерен на коэффициент перекрытия зубчатого зацепления шестеренного насоса 110
3.1.1.3. Совместное влияние погрешностей изготовления и монтажа деталей на величину коэффициента перекрытия зубчатого зацепления шестеренного насоса 111
3.1.2. Анализ условий работы зубчатого зацепления шестеренного насоса при коэффициенте
перекрытия менее единицы 113
3.1.3. Анализ нагруженного состояния зубьев шестерен насоса при коэффициенте перекрытия менее единицы 118
3.1.3.1. Определение коэффициента, учитывающий динамическую нагрузку в зубчатом
зацеплении шестеренного насоса 118
3.1.3.2. Контактные напряжения, действующие в зубчатом зацеплении в условиях работы
шестеренного насоса 122
3.1.4. Определение ресурса шестеренного насоса по критерию долговечности зубьев шестерен
на контактную прочность 123
3.1.5. Результаты и выводы 127
3.2. Анализ нагруженного состояния в паре трения в паре трения «торцы зубьев шестерен - подпятник» 127
3.2.1. Параметры трущихся поверхностей пары трения «торцы зубьев шестерен - подпятник» 130
3.2.1.1. Конструктивные параметры трущихся поверхностей торцов зубьев шестерен
и подпятника 130
3.2.1.2. Технологические параметры трущихся поверхностей торцов зубьев шестерен
и подпятника 130
3.2.1.3. Материаловедческие параметры трущихся поверхностей торцов зубьев шестерен
и подпятника 132
3.2.1.4. Фрикционные параметры трущихся поверхностей торцов зубьев шестерен
и подпятника 132
3.2.2. Износ трущихся поверхностей торцов зубьев шестерен и подпятника 134
3.2.3. Оценка нагруженного состояния и износа в паре трения «торцы зубьев шестерен — подпятник» 139
3.2.3.1. Определение нормальных нагрузок в паре трения «торцы зубьев шестерен - подпятник» 140
3.2.3.2. Оценка износа в паре трения «торцы зубьев шестерен — подпятник» 145
3.2.4. Результаты и выводы 147
3.3. Определение нагруженного состояния подшипниковых опор шестеренных насосов 147
3.3.1. Расчет гидравлического давления рабочей жидкости в запертом межзубном пространстве шестеренного насоса 148
3.3.2. Анализ эффективности работы разгрузочных канавок шестеренных насосов 150
3.3.3. Определение радиальных нагрузок, действующие на подшипниковые опоры шестеренного насоса 152
3.3.4. Определение окружных усилий, действующие на зубья шестерен насоса 154
3.3.5. Оценка долговечности подшипниковых опор шестеренного насоса 155
3.3.6. Результаты и выводы 15 б
3.4. Анализ нагруженного состояния вала ведущей шестерни шестеренного насоса 156
3.4.1. Определение момента сил трения между торцами зубьев шестерен и подпятником насоса с учетом монтажных погрешностей сборки 156
3.4.2. Определение суммарного крутящего момента, действующего на вал ведущей шестерни 162
3.4.3. Результаты и выводы 167
3.5. Основные результаты и выводы 167
4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ШЕСТЕРЕННОГО НАСОСА (на примере экспериментального насоса НШ-32К) 168
4.1. Экспериментальные исследования условий работы зубчатого зацепления экспериментального насоса 168
4.1.1. Кинематометрирование зубчатого зацепления экспериментального насоса 169
4.1.2. Исследование влияния конструктивно-технологических факторов на характер кинематической погрешности 177
4.1.2.1. Изменение взаимного углового положения шестерен 177
4.1.2.2. Изменение межосевого расстояния 181
4.1.2.3. Исследование экспериментального насоса в сборе 183
4.2. Рабочие варианты сборок экспериментального шестеренного насоса 185
4.3. Влияние фактических погрешностей изготовления и монтажа составляющих деталей конкретных вариантов сборок экспериментального насоса на условия их работы 188
4.3.1. Оценка величины коэффициента перекрытия зубчатого зацепления экспериментального насоса 189
4.3.2. Оценка величины момента сил трения в паре трения «торцы зубьев шестерен - подпятник» экспериментального насоса 190
4.3.3. Оценка эффективности работы разгрузочных канавок экспериментального насоса 193
4.4. Прогнозируемые диагностические признаки технического состояния экспериментального
шестеренного насоса 194
4.5. Исследование вибрационного состояния экспериментального шестеренного насоса 197
4.6. Контроль крутящего момента на валу ведущей шестерни шестеренных насосов 206
4.7. Результаты и выводы 210
5. РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ КОНТРОЛЯ И ДИАГНОСТИРОВАНИЯ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ШЕСТЕРЕННЫХ НАСОСОВ 213
5.1. Диагностическая модель технического состояния шестеренного насоса 213
5.1.1 Основные принципы построения диагностической
модели технического состояния агрегатов 214
5.1.2. Обобщенная диагностическая модель шестеренного насоса 214
5.1.3. Параметры диагностической модели и расчетной схемы шестеренного насоса 219
5.1.3.1. Инерционные параметры модели 219
5.1.3.2. Параметры, характеризующие жесткость системы 220
5.1.3.3. Диссипативные параметры 222
5.1.3.4. Кинематическое возмущение 223
5.1.3.5. Силовое возмущение 2
5.1.4. Учет погрешностей изготовления и сборки насоса 225
5.1.5. Нагрузки, действующие на детали и узлы насоса 228
5.1.6. Учет условий работы зубчатого зацепления шестеренного насоса 234
5.2. Анализ решений диагностической модели для экспериментального шестеренного насоса 238
5.3. Рекомендуемые диагностические признаки технического состояния шестеренных насосов и система контроля и диагностики шестеренных насосов 241
5.4. Результаты и выводы 246
6. АЛГОРИТМ ОЦЕНКИ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ АГРЕГАТОВ 248
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ 257
ЛИТЕРАТУРА 262
ПРИЛОЖЕНИЕ
Введение к работе
Надежность и долговечность агрегатов в первую очередь обуславливается нагруженным состоянием составляющих их конструктивных элементов, деталей, и узлов [1—5]. В настоящее время методы расчета нагруженного состояния деталей и узлов различного назначения разработаны достаточно глубоко и подкреплены широкой номенклатурой нормативно-технической документации, в том числе: ГОСТы, отраслевые стандарты, методики, и т.д., позволяющие устанавливать необходимый срок службы для большинства агрегатов и механизмов, содержащие типовые детали машин: валы, шестерни, подшипниковые опоры, узлы трения и т.д. [6-14].
Однако практика эксплуатации отдельных агрегатов, например шестеренных насосов гидротопливных систем (а более, конкретно: насосов авиационного назначения) показывает, что существующие методы расчетов не обеспечивают расчетную долговечность составляющих деталей. Можно отметить, что ресурс шестеренных насосов авиационного назначения, как правило, в 2-3 раза ниже ресурса самих авиационных двигателей, величина которых, как правило, составляет от 15 до 20 тысяч моточасов. Например, для авиационного двигателя Д-36, ресурс которого составляет 12 тыс. моточасов, в то же время, для шестеренного насоса его системы топливопитания составляет 4 тыс. моточасов. При этом, наработка на отказ этих насосов, изготовленных по одной и той же технологии, на одном и том же оборудовании, одним и тем же инструментом, и эксплуатируемых в сопоставимых условиях, имеют разброс от 250 до 3250 моточасов, т.е. более чем в 10 раз [15, 16]. Принимая, что для шестеренных насосов гидротопливных систем характерны: отлаженная технология изготовления составляющих деталей, когда их поэлементный контроль удовлетворяют необходимым требованиям; приемо-сдаточные испытания и их обкатка в собранном виде показывает соответствие выходным паспортным характеристикам; они эксплуатируются в сопоставимых условиях, — основной причиной преждевременных отказов является фактическое нагруженное состояние деталей машин насоса, которое, главным образом, зависит от особенностей конструкции, условий работы и реального взаимного положения составляющих насос деталей в собранном виде, т.е. сочетания их погрешностей изготовления и монтажа. Причем, варианты сборок насосов, имеющие предпосылки преждевременных отказов, как правило, успешно проходят приемо-сдаточные испытания. Следовательно, установление причин появления нагрузок, приводящие к преждевременному выходу из строя шестеренных насосов гидротопливных систем систем, и разработка системы контроля и диагностики агрегатов на стадии производства, позволяющая выявлять варианты сборок, имеющие предпосылки преждевременных отказов, являются актуальными задачами.
В связи с вышеизложенным, научной проблемой, требующей своего разрешения, является установление причин появления нагрузок, не закладываемые в существующие методики расчетов, на детали шестеренных насосов с учетом особенностей их конструкции, условий работы и погрешностей их изготовления и монтажа.
Целью настоящего исследования является повышение достоверности расчетов нагруженного состояния деталей и узлов шестеренных насосов с учетом их фактического взаимного положения в собранном виде, особенностей конструкции и условий работы насоса, а также разработка системы контроля и диагностики текущего состояния шестеренных насосов гидротопливных систем на стадии производства, позволяющая выявлять варианты сборок, имеющие предпосылки преждевременных отказов. Задачами исследования являются:
1) Выявить закономерности, влияющие на фактическое взаимное положение деталей и узлов шестеренных насосов в собранном виде.
2) Выявить закономерности силового взаимодействия деталей и узлов шестеренных насосов с учетом их фактического положения в собранном виде.
3) Выявить влияние особенностей конструкции и условий работы шестеренных насосов на нагруженное состояние его деталей и узлов.
4) Провести анализ влияния фактического нагруженного состояния составляющих деталей и узлов шестеренных насосов на их ресурс.
5) Экспериментально подтвердить основные теоретические положения, представленные в работе.
6) Разработать систему контроля и диагностики шестеренных насосов на стадии производства, позволяющая выявлять варианты их сборок, имеющие предпосылки преждевременных отказов.
Научная новизна работы заключается:
1. На основе детерминированного и вероятностного подходов, выявлены закономерности взаимного положения и силового взаимодействия деталей и узлов шестеренных насосов авиационного назначения, которые позволили оценить их фактическое нагруженное состояние в собранном виде.
2. Предложен общий алгоритм оценки фактического нагруженного состояния деталей шестеренных насосов с учетом погрешностей изготовления и реального взаимного положения в собранном виде, который позволяет целенаправленно подойти к формированию для них назначенного ресурса. .
3. Проведен теоретический анализ работы цилиндрической зубчатой передачи при коэффициенте перекрытия менее единицы, который позволил предварительно количественно оценить нагрузки на зубья шестерен насоса для конкретных вариантов сборок шестеренных насосов.
4. Проведен анализ условий работы и оценка долговечности пары трения "торцы зубьев шестерен - подпятник" с учетом фактического взаимного положения основных деталей и узлов шестеренных насосов авиационного назначения, который позволил количественно оценить увеличение момента сил трения в паре трения «торцы зубьев шестерен — подпятник» и интенсивность её износа.
5. Выявлены сочетания вариантов сборок и режимов работы шестеренного насоса, при которых работа разгрузочных канавок становится неэффективной, и проведена количественная оценка увеличения радиальной нагрузки на подшипниковые опоры насоса.
6. Разработана диагностическая модель технического состояния шестеренных насосов, которая отражает условия появления у них основ • ных отказов, и позволяющая учитывать погрешности изготовления, монтажа и фактического взаимного положения деталей в собранном виде, а также условия работы шестеренных насосов при различных режимах.
7. Обоснованы основные принципы формирования ресурса агрегатов, которые позволили увеличить назначенный ресурс шестеренного насоса, на примере насоса системы топливопитания авиационного двигателя.
Практическая значимость работы состоит в том, что: предложены основные принципы и методы расчета нагруженного состояния деталей и узлов шестеренных насосов с учетом погрешностей их изготовления и реального взаимного положения в собранном виде; предложен алгоритм анализа нагруженного состояния шестеренных насосов с учетом взаимного положения составляющих их деталей и узлов в собранном виде, который позволяет целенаправленно подойти к формированию для них назначенного ресурса; теоретические и экспериментальные исследования легли в основу системы контроля и диагностирования шестеренных насосов авиационного назначения, что позволило повысить его назначенный ресурс; результаты работы прошли апробацию и внедрены на ОАО «Омскагрегат» (г. Омск) и могут быть рекомендованы для внедрения на заводах-изготовителях шестеренных насосов во всем диапазоне их типоразмеров и назначения в различных отраслях машиностроения.
Работа выполнялась в соответствии с аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы (2006-2008 года) Федерального агентства по образованию Министерства образования и науки Российской федерации.
Основные положения работы докладывались на международных и российских конференциях: «Проблемы механики современных машин», Улан-Удэ, 2000; «Динамика машин и рабочих процессов», Челябинск, 2002; «Динамика систем, механизмов и машин», Омск, 2002; «Дорожно-транспортный комплекс, экономика, экология, строительство и архитектура», Омск, 2003; «Развитие оборонно-промышленного комплекса на современном этапе», Омск, 2003; «Дорожно-транспортный комплекс, экономика, экология, строительство и архитектура», Омск, 2003; «Проблемы механики современных машин», Улан-Удэ, 2003; «Управление качеством: теория, методология, практика», Саранск, 2004; «Динамика систем, механизмов и машин», Омск, 2004; «Проблемы механики современных машин», Улан-Удэ, 2006: «Автоматизация и прогрессивные технологии», Новоуральск, 2007: «Сильные инженерные школы - технологический прорыв Сибири», Омск, 2008; на Научном семинаре по трению и износу им. М.М. Хрущева Института машиноведения РАН им. А.А. Благонравова, Москва, 2009. По теме диссертации опубликовано 27 работы, в том числе 11 публикаций в изданиях, включенных в перечень ВАК для докторских диссертаций.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав, перечня основных результатов и общих выводов, приложения, списка литературы из 194 наименования. Работа изложена на 284 страницах машинописного текста, включая 83 рисунка и 23 таблицы.
Во введении дана общая характеристика работы и дано обоснование актуальности темы диссертации, отмечены научная новизна и практическая значимость выполненной работы, выделены положения, выносимые на защиту.
В первой главе на основе анализа опубликованных работ, отмечается что для оценки нагруженного состояния деталей и узлов, входящих в состав агрегатов, в основном используют традиционные методы расчетов в детерминированной постановке. Однако, в традиционных методах расчета, как правило, в явном виде не учитываются возможные разбросы расчетных параметров, который всегда имеют место и носят вероятностный характер. С целью учета разброса параметров, оценку нагруженного состояния деталей и узлов агрегатов часто проводят также с помощью вероятностного подхода. Отмечается что, практика эксплуатации авиационных агрегатов показывает, что некоторая их часть все равно не вырабатывает свой назначенный ресурс работы из-за преждевременных отказов составляющих его деталей и узлов, которые прежде всего связаны с появлением нерасчетных нагрузок. Приведена статистика и анализ причин возникновения основных отказов применительно к критическим параметрам шестеренных насосов системы топливопита-ния авиационных двигателей (агрегаты 760Б и 4001), возвращенные для ремонта на ОАО "ОМСКАГРЕГАТ" (г. Омск). Отмечается, что существующие методы проектирования, расчетов и технологии сборки не позволяют обеспечить требуемую надежность шестеренных насосов и су жают возможности обеспечения необходимого срока службы. Поставлена цель исследования и обозначены задачи.
Во второй главе, на основе векторно-вероятностного представления погрешностей изготовления и монтажа деталей машин, разработаны теоретические основы оценки фактического взаимного положения деталей на примере шестеренных насосов системы топливопитания авиационных двигателей, проведена оценка реального взаимного положения составляющие агрегат деталей в собранном виде.
Третья глава посвящена анализу нагруженного состояния деталей и узлов рассматриваемого агрегата. Для каждого из критических параметров выявлены причины возникновения отказов по конкретным критериям в виде функциональных зависимостей нагруженное состояние агрегата от суммарного вектора погрешностей взаимного положения составляющих агрегат деталей. Проведен анализ долговечности деталей шестеренного насоса системы топливопитания авиационного двигателя в зависимости от их реально возможного взаимного положения в агрегате, позволяя тем самым прогнозировать срок службы агрегата в целом. На основании полученных результатов автором разработано теоретическое обоснование возможности повышения ресурса шестеренных насосов.
В четвертой главе приведены результаты экспериментальных исследований экспериментального шестеренного насоса, перед которыми ставились следующие основные задачи: проверка основных теоретических положений, представленных в главе 3, о влиянии погрешностей изготовления и монтажа составляющих деталей на их фактическое взаимное положение в собранном виде на примере исследования положений шестерен насоса методом кинематометрищ и, исследование вибрационного состояния корпуса экспериментального шестеренного насоса конкретных вариантов его сборки с целью экспериментального обосно вания методов вибродиагностики для отсева некачественных вариантов сборок насосов на стадии производства без их разборки.
Предложены конкретные диагностические признаки проявления критических параметров применительно к шестеренным насосам системы топливопитания авиационных двигателей, которые подтверждены экспериментально.
Пятая глава посвящена разработке диагностической модели технического состояния шестеренного насоса, направленная на прогнозирование диагностических признаков проявления рассмотренных критических параметров с целью распространения полученных для экспериментального насоса результатов на все их виды и режимы работы, в том числе для шестеренных насосов систем топливопитания авиационных двигателей.
Разработана система контроля и диагностирования, позволяющая выявлять некачественные варианты их сборок без разборки в условиях производства.
В шестой главе предложен общий алгоритм оценки технического состояния агрегатов с учетом реального положения составляющих деталей машин в собранном виде. Предложенный порядок анализа технического состояния агрегатов позволяет целенаправленно подойти к формированию для них назначенного ресурса.
В конце работы отражены основные результаты и выводы по работе.
В Приложении приведен Акт о внедрении системы контроля и диагностики технического состояния шестеренных насосов систем топпливопита-ния авиационных двигателей на ОАО «ОМСКАГРЕГАТ» (г. Омск).
Основные положения, выносимые на защиту:
1) Математические модели, описывающие закономерности- взаимного положения деталей и узлов и их влияние на силовое взаимодействие в шестеренных насосах гидротопливных систем.
2) Диагностическая модель технического состояния шестеренных насосов, учитывающая особенности его конструкции и работы.
3) Комплекс экспериментальных методов и исследований, обеспечивающих оценку текущего технического состояния шестеренных насосов на основе метода виброметрии корпуса и метода контроля потребляемой мощности приводного электродвигателя испытуемых агрегатов.
4) Алгоритм формирования назначенного ресурса агрегатов на примере шестеренных насосов систем топливопитания авиационных двигателей.
