Введение к работе
з Актуальность темы. Режимы работы современных машин и механизмов характеризуются высокими нагрузками и скоростями, что выдвигает повышенные требования к динамическим характеристикам соединений, определяемым в значительной степени формируемыми в процессе сборки динамическими связями контактирующих поверхностей. Однако традиционные методы сборки ориентированы на достижение заданных геометрических (размерных) связей и не учитывают динамичности режимов и характера контактного взаимодействия деталей, что приводит к недопустимому отклонению функциональных характеристик, снижению надежности и долговечности, что особенно негативно отражается при эксплуатации высокотехнологичных изделий, характеризуемых повышенными требованиями к показателям качества. Причем ужесточение требований к геометрическим характеристикам поверхностей контактирующих деталей не приводит к адекватному повышению функциональных характеристик качества соединений. Профессор А.А. Гусев отмечает десятикратный разброс характеристик прочности прессовых соединений, собранных из деталей, геометрические характеристики которых лежат в пределах допуска.
Отличительной особенностью прессовых соединений является недоступность зоны контактного взаимодействия деталей для непосредственного наблюдения, контроля и управления, а ведь именно в процессе силового контактного взаимодействия поверхностей формируются основные функциональные характеристики соединений, закладываются эксплуатационная надежность и долговечность изделий.
Переход на более высокий уровень требований к качеству прессовых соединений приводит к необходимости учёта дополнительных факторов, что существенно осложняет процесс сборки, причём использование расчетных методов, кроме необходимости учета сборочных погрешностей, осложняется взаимовлиянием соединяемых деталей, низкой точностью прогнозирования сборочных нагрузок, нелинейной связью геометрических характеристик и выходных показателей качества. Так, для таких высокотехнологичных изделий, как буровые шарошечные долота одной из основных проблем, снижающих эффективность бурения, является большой разброс характеристик прочности запрессовываемых зубков, что при недостаточных натягах приводит к выпадению зубков в процессе бурения и снижению производительности, а повышенные натяги ведут к образованию микротрещин и возникновению аварийных ситуаций.
4 Сходные проблемы возникают в процессе запрессовки пробок в корпус шаровых кранов, а также при запрессовке кольцевых многополюсных магнитов в магнитопровод генераторов для бронетанковой техники и др.
Одним из решений проблемы обеспечения требуемого качества прессовых соединений является разработка методов и средств контроля текущей информации, содержащейся в колебаниях, сопровождающих процесс ультразвуковой запрессовки, для целей адаптивного управления технологическим процессом. Получение информации о динамических характеристиках соединения непосредственно в процессе запрессовки позволяет уменьшить неопределённость в формировании показателей качества соединений, обеспечивает предупреждение о тенденциях изменения характеристик, дает возможность активного противодействия негативным изменениям в процессе запрессовки и снижения рассеяния показателей точности соединений.
Таким образом, актуальность проблемы в научном плане состоит в разработке методов определения закономерностей формирования динамических связей контактирующих поверхностей непосредственно в процессе сборки и создании на этой основе системы адаптивного управления технологическим процессом запрессовки. В практическом плане актуальным является разработка способов и устройств для повышения эффективности процесса запрессовки с использованием оперативной информации о формировании динамических характеристик контактирующих поверхностей.
Тематика работы входила в состав научно-исследовательских работ, проводимых в рамках тематического плана СамГТУ по заданию Федерального агентства по образованию на 2001 год по теме «Волновые технологии сборки и разборки прессовых и резьбовых соединений» (тема № 543/01); на 2002-2007 годы по теме «Исследование теоретических основ волновых технологий сборки и разборки прессовых и резьбовых соединений с сертификацией их качества», регистрационный номер НИР 1.8.02, номер государственной регистрации НИР 01200212230; на 2006-2007 годы «Исследование теоретических основ создания динамических моделей процессов сопряжения деталей на основе волновых технологий с сертификацией их качества» № 1.24.06.
Цель работы состоит в разработке методологии повышения эффективности технологии ультразвуковой (УЗ) сборки прессовых соединений путём адаптивного управления технологическим процессом запрессовки на основе динамических характеристик формируемых соединений.
Для достижения цели необходимо решить следующие задачи:
-
На основе анализа известных методов и средств сборки разработать методологию повышения эффективности технологического процесса УЗ сборки прессовых соединений путем обеспечения параметров динамических связей контактирующих поверхностей.
-
Разработать модели и методы оценки динамических характеристик формируемых соединений непосредственно в процессе сборки с использованием дополнительных ударных и гармонических тестовых воздействий.
-
Разработать конечно-элементную модель прессового соединения с использованием векторно-матричных представлений и провести имитационное моделирование процесса УЗ сборки с учетом вероятностных характеристик составляющих.
-
Создать методику адаптивного обеспечения необходимой прочности прессового соединения с использованием режима УЗ микросварки.
-
Разработать метод снижения взаимовлияния силового прессового оборудования и блока возбуждения УЗ колебаний с использованием газового слоя (опоры).
-
Разработать автоматизированную систему научных исследований технологических процессов УЗ сборки.
-
Разработать научно обоснованные рекомендации по повышению эффективности сборки прессовых соединений.
Объектом исследований является технологический процесс ультразвуковой сборки прессовых соединений.
Предметом исследований является адаптивное обеспечение требуемых динамических контактных связей прессовых соединений.
Методы исследований. Для достижения поставленной цели использован системный подход к изучению процесса УЗ сборки прессовых и резьбовых соединений с одновременной оценкой качества формируемого соединения. Использованы основные теоретические положения технологии машиностроения, теории контактного взаимодействия твердых тел, методы исследования колебательных систем и вибрационной диагностики, теории вероятностей и идентификации систем.
Для подтверждения полученных результатов применялись методы экспериментального исследования процессов ультразвуковой запрессовки и компьютерного моделирования с использованием программного комплекса ANSYS.
Научная новизна:
- разработана методология научных исследований по повышению эффективности процесса сборки прессовых соединений путём адаптивного управления технологическим процессом УЗ запрессовки для обеспечения параметров динамиче-
6 ских связей контактирующих поверхностей, определяемых диагностическими методами непосредственно в процессе запрессовки.
разработаны методы оценки динамических характеристик соединений непосредственно в процессе запрессовки на основе динамических моделей во времен-ной и частотной областях, а также в пространстве состояний, как в режиме ударных, так и при гармонических тестовых воздействиях. Причем дополнительные воздействия используются одновременно как в технологических целях для повышения эффективности процесса сборки, так и в целях контроля качества формируемого соединения по динамическим параметрам.
проведено имитационное моделирование процесса запрессовки путем параметризации разработанной конечно-элементной модели прессового соединения с заданием вероятностных характеристик режимов сборки, параметров материала деталей и их геометрических характеристик, что позволяет выявить вклад различных компонентов в общее напряженно-деформированное состояние прессового соединения.
разработана методика направленного формирования требуемых прочностных характеристик прессового соединения, отличительной особенностью которой является адаптивное применение режима микросварки в условиях УЗ колебаний для соединений с недостаточной прочностью, что гарантирует качество собираемых изделий.
Практическая значимость работы.
-
Повышение качества и надежности соединений на базе новых методов дополнительного введения в зону сопряжения колебательной энергии, встроенного контроля и диагностики и создание на их основе интегрального оборудования и систем адаптивного управления технологическим процессом.
-
Разработка способов и устройств для повышения эффективности УЗ сборки и определения качества прессовых соединений непосредственно в процессе сборки (А.с. СССР № 1793366, 1805379, 1803743; 1824279; патенты РФ на изобретения № 1639938, 1731572,2050244).
-
Обеспечение требуемых прочностных характеристик прессового соединения путем адаптивного формирования режима микросварки с УЗ колебаниями для соединений с недостаточной прочностью (патент РФ на изобретение № 2357848; патент РФ на полезную модель № 107087).
-
Реализация механической развязки силового прессового оборудования и блока возбуждения УЗ колебаний путем создания между ними газовой опоры (патент РФ №2182065).
-
Создание автоматизированной системы научных исследований технологических процессов сборки, позволяющей оперативно получать технологическую информацию непосредственно в процессе формирования соединения, автоматически обрабатывать, документировать и использовать как для текущего адаптивного управления технологическим процессом сборки, так и для целей ретроспективного анализа.
-
Разработка комплекса устройств для повышения эффективности автоматизированной сборки прессовых соединений (патенты РФ 2022751, 2192343).
На защиту выносятся:
-
Методология повышения эффективности технологического процесса сборки прессовых соединений путем обеспечения параметров динамических связей контактирующих поверхностей, определяемых вибродиагностическими методами непосредственно в процессе УЗ сборки.
-
Динамические модели формирования прессовых соединений во временной и частотной области, и в пространстве состояний на основе векторно-матричных представлений.
-
Методы оценки динамических характеристик прессовых соединений непосредственно в процессе сборки в режиме дополнительных гармонических и ударных воздействий.
-
Конечно-элементная модель формирования прессового соединения в условиях УЗ сборки и результаты имитационного моделирования процесса сборки с учетом вероятностных характеристик режима сборки, параметров материала деталей и их геометрических характеристик.
-
Методика адаптивного обеспечения требуемых прочностных характеристик формируемого прессового соединения, отличительной особенностью которой является направленное формирование режима микросварки (схватывания) в условиях УЗ колебаний для соединений с недостаточной прочностью.
-
Метод снижения взаимовлияния силового прессового оборудования и устройства возбуждения дополнительных УЗ колебаний путем их механической развязки специально формируемым газовым слоем.
-
Автоматизированная система для научных исследований технологических процессов сборки.
8 8. Способы и устройства для повышения эффективности УЗ сборки прессовых соединений.
Реализация работы. Технологические процессы УЗ запрессовки зубков шарошечных долот используются в отработке технологии сборки новых долот в совместной работе СамГТУ с ОАО «Бурмаш» (г. Самара). В ОАО «Авиаагрегат» (г. Самара) испытан, отработан и внедрен технологический процесс УЗ приработки винтовой пары с применением магнитострикционного преобразователя. Методика УЗ запрессовки твердосплавных зубков в корпус шарошки бурового долота на базе автоматизированной системы научных исследований с использованием режима схватывания и одновременной диагностикой показателей качества формируемого соединения внедрена в ОАО «Уралбурмаш» (пос. Верхняя Серьга, Свердловская обл.), и ООО «Универсальная буровая техника» (г. Дрогобыч, Украина).
Разработанные компьютеризированные системы УЗ запрессовки и диагностики качества прессовых соединений в комплекте с программным обеспечением используются на кафедре «Автоматизация производств и управление транспортными системами» СамГТУ в лекционных курсах, курсовом и дипломном проектировании, научно-практической работе со студентами и в научных исследованиях аспирантов.
Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на международных и всероссийских научных конференциях и симпозиуме, в том числе на международных: «Сборка в машиностроении и приборостроении», Брянск, 2001г.;. «Контактная жесткость. Износостойкость. Технологическое обеспечение», Брянск, 2003г.; «Актуальные проблемы надежности технологических, энергетических и транспортных машин», Самара, 2004г.; «Динамика технологических систем», Саратов, 2004г,; «Обеспечение и повышение качества машин на этапах их жизненного цикла», Брянск , 2005г.; «Проблемы качества машин и их конкурентоспособности», Брянск, 2008г.; «Фундаментальные проблемы и современные технологии в машиностроении», Москва, 2010г.; на междун. симпозиуме «Надежность и качество», Пенза, 2007-2011гг.; на междун. науч.-техн. семинаре «Современные технологии сборки», Москва, МАМИ, 2008, 2011г.; «Актуальные проблемы трибологии», Самара, 2011г.; на 77-й междун. конф. ААИ «Автомобиле-и тракторостроение в России: приоритеты развития и подготовка кадров», Москва, МАМИ, 2012г.; на 4 междун. конф. «Наукоёмкие технологии в машиностроении и авиадвигателестроении (ТМ-2012)», Рыбинск, 2012г.; на всероссийских: «Проблемы надежности и долговечности», Москва, 1992г.; «Высокие технологии в машиностроении», Самара, 2002,2005-2010гг.
Диссертационная работа докладывалась и была одобрена на заседаниях: Головного совета «Машиностроение» под председательством академика РАН КС. Колесникова 2007г.; кафедры «Технология машиностроения» Московского государственного машиностроительного университета (МАМИ) 2012г.; кафедры «Технология авиационных двигателей и общего машиностроения» Рыбинского государственного авиационного технического университета им. П.А. Соловьёва 2012г.; кафедры «Автоматизация производств и управление транспортными системами» СамГТУ в 2010-2012гг. Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано более 80 работ общим объёмом 23,76 печатных листов, в том числе авторских 7,96 печатных листов. В числе работ 2 монографии, 25 статей в журналах по списку ВАК, 19 авторских свидетельств и патентов на изобретения и полезные модели. Все результаты, составляющие основное содержание диссертационной работы, получены автором самостоятельно.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, семи глав, выводов, списка литературы, включающего 297 наименований и приложений. Общий объем 281 страниц, в том числе 259 страниц основного текста, 76 рисунков и 11 таблиц.
