Содержание к диссертации
Введение
Глава I – Состояние проблемы и постановка задач исследований 11
Ремонт и утилизация - заключительные этапы жизненного цикла изделия
Понятие и структура жизненного цикла изделия
Необходимость утилизации машиностроительного изделия как путь повышения его остаточного ресурса
Обзор работ в области технологии ремонта и утилизации изделий машиностроения
Особенности и общая классификация ремонтных производств
Методы организации ремонта на предприятии .
Разновидности ремонтируемых объектов техники и особенности их утилизации на предприятиях .
Ремонт автомобилей .
Особенности и современные направления утилизации автомобилей
Судоремонтное производство.
Ремонт электровозов и тепловозов.
Ремонт сельскохозяйственной техники Организационно-экономические и экологические аспекты утилизации изделий машиностроения Организационно-экономические аспекты утилизации изделий машиностроения .Организационно-экологические аспекты утилизации изделий машиностроения
Вибрационные технологии в условиях ремонта и утилизации изделий машиностроения .
Цель и задачи исследований
Глава II – Теоретические предпосылки и обоснование путей совершенствования технологии ремонта и утилизации изделий машиностроения 58
. Анализ основных факторов, определяющих жизненный цикл изделия и его элементов на стадии ремонта и утилизации
Мойка и очистка деталей, агрегатов и сборочных единиц .
Сущность процесса и его место при проведении ремонта и утилизации
Способы моечно-очистных работ деталей машин Разборка объектов производств (общие замечания) .
Разборка автомобилей
Разборка резьбовых соединений
Разборка прессовых соединений .Моделирование разборочных процессов в обычных условиях .Анализ условий эффективного применения вибрационной и виброволновой обработки на стадии ремонта и утилизации .
Теоретические обоснования роли виброволновой и вибрационной обработки при выполнении операций разборки, очистки, мойки .
Моделирование виброволновой разборки соединений
Моделирование вибрационных и виброволновых процессов при выполнении моечно-очистных операций
Моделирование вибропротирки (протирочных и сушильных операций) деталей
Выводы по главе II
Глава III – Методика экспериментальных исследований 116
Характеристика объектов исследований, опытные образцы, примеры изделий, сборочных единиц и деталей .
Метод анализа и классификации объектов исследований
Исследуемые параметры, их характеристика, количественные и качественные показатели .
Методы и средства оценки и измерений результатов исследований; измерительные приборы и инструменты
Опытное оборудование, специальные приспособления, инструмент.Методы обработки результатов экспериментов
Глава IV – Экспериментальные исследования 138
5. Исследование влияния виброволнового воздействия (обработки) на разборку резьбовых и прессовых соединений сборочных единиц
Экспериментальные исследования влияния виброволнового воздействия на разборку резьбовых соединений при различных схемах нагружения
Экспериментальные исследования влияния виброволнового воздействия на разборку прессовых соединений при различных схемах нагружения
Влияние виброволнового воздействия на разборку прессовых соединений
Сравнение способов разборки соединения различными путями
Влияние состояния поверхностного слоя деталей на разборку прессовых соединений Влияние условий вибрационной обработки на качество и производительность очистных операций в технологии ремонтных производств и утилизации (очистка от нагара, накипи, окалины; удаление масляных и грунтовых загрязнений)
Влияние амплитудно-частотной характеристики
Влияние характеристики инструментальной среды
Влияние состава технологической жидкости
Вибрационная сушка и протирка деталей
Сбор и обработка (обобщение) материалов действующих структур по утилизации изделий машиностроения (с анализом экономических и экологических аспектов)
Выводы по главе IV
Глава V – Практическое применение результатов исследований 168
Технологические рекомендации
Примеры реализации результатов исследований на операциях разборки сборочных единиц и очистки (мойки) деталей
Примеры методики технико-экономической оценки результатов исследований .
Примеры (варианты) организационно-экономических и экологических решений утилизации изделий машиностроения
Технологические принципы подготовки элементов утилизации изделий машиностроения к дальнейшему хозяйственному применению
Выводы по главе
Общие выводы и рекомендации 184
Литература
- Необходимость утилизации машиностроительного изделия как путь повышения его остаточного ресурса
- Мойка и очистка деталей, агрегатов и сборочных единиц
- Метод анализа и классификации объектов исследований
- Экспериментальные исследования влияния виброволнового воздействия на разборку прессовых соединений при различных схемах нагружения
Необходимость утилизации машиностроительного изделия как путь повышения его остаточного ресурса
Жизненный цикл изделия (ЖЦИ) охватывает все стадии прохождения изделия с начала появления идей о его создании. Понятие ЖЦИ включает в себя все стадии жизни изделия – от изучения рынка перед проектированием до утилизации после использования. Несмотря на то, что у каждого изделия или вида изделия свой уникальный путь, можно определенно говорить о наличии различных закономерностей развития, которые позволили исследователям обратить внимание на возможность неоднократного повторения явления схожего характера (рис. 1.1). Весьма важным параметром ЖЦИ является его структура. Она достаточно сложна и представляет собой совокупность стадий, характеризующих относительно автономные и взаимно связанные фазы воспроизводственного процесса. Таким образом, характерная особенность ЖЦИ – время, а его продолжительность зависит от ряда факторов, каждый из которых может влиять на определенную стадию исходя из выделенных ресурсов. Объективно развивающийся процесс общественного разделения труда привел к естественной дифференциации трудовых процессов по различным стадиям нахождения изделия. К основным стадиям ЖЦИ относят исследование и разработку, изготовление, обращение, эксплуатацию и утилизацию [79, 104]. Эксплуатация является основной целью создания изделия, заставляет его находиться в состоянии использования, хранения и транспортирования при периодическом использовании, обслуживании и ремонте, а также вторичного использования по новому применению, как показывает рис. 1.2. Важное место в составе ЖЦ занимает этап, который связан с ремонтом изделия, что часто необходимо при эксплуатации и осуществляется с целью продления ЖЦИ. Выполненные действия отличаются от одного изделия к другому, но имеют общие черты, которые будем обобщать в дальнейшем.
Ремонт изделия машиностроительного производства обусловлен его нахождением в одном из состояний, показанных на рис. 1.3, согласно работам [5, 27, 29, 32, 33, 41, 42, 45, 46, 49, 51, 56, 61, 65, 73, 76, 84, 98, 102, 107, 112 и др.], при этом переход из состояния в состояние осуществляется через определенное событие, указанное на этом же рисунке. Однако в ходе ремонта по различным причинам возможна утилизация изделия, его составных частей отдельно или совместно.
Как правило, согласно рис. 1.1 и 1.2, ремонт и утилизацию проводят после этапа эксплуатации для придания изделию потребительских или подходящих свойств. Подробно этот процесс описан в разделе 1.2.1. Особо выделим также этап модернизации, когда стремятся не только восстановить работоспособность объекта, но и придать ему новые, более совершенные и эффективные показатели, повышающие срок службы изделия. Рис.1.1. Стадийная структура жизненного цикла изделия
Участники каждой отдельной стадии не имеют представления о дальнейших или о предыдущих действиях, происходящих с изделием, или имеют его не полностью. Их деятельность определяется локальными интересами. В связи с этим возникает необходимость совершенствования методов выявления стадий ЖЦИ вместе с участниками, согласования со стадиями ЖЦИ с целю их унификации, чтобы применить полученную модель ЖЦИ на любом объекте производства.
ЖЦИ может включать ряд жизненных циклов номенклатурных единиц, сборочных единиц или деталей, составляющих рассматриваемые машины. Законы надежности машин вместе с физическими законами раскрывают тайны на основе существующих взаимосвязей между деталями, составляющими машины, для построения рациональных систем их производства, испытания и эксплуатации, а также прогноза функциональных возможностей.
Информационное обеспечение ЖЦИ осуществляется при прохождении патентного исследования на существование данного изделия, а так же на любой стадии проектирования или производства, учитывая рабочие характеристики изделия благодаря поэтапному разделению труда и функциональному анализу.
Практически имеется только одно описание изделия как объекта эксплуатации, являющееся результатом предыдущих стадий ЖЦИ, и отсутствует описание их дальнейшего применения как объекта ремонта и утилизации, что приводит к неопределенности постановки задачи о информационном обеспечении изделия и затруднению разработки соответствующего технологического процесса (ТП).
Мойка и очистка деталей, агрегатов и сборочных единиц
Соединения с натягом составляют около 20% трудоемкости разборочных работ и производятся путем приложения осевого усилия с использованием тепловых деформаций (нагрев охватывающей детали). Такие соединения встречаются при снятии подшипников, втулок, шкивов, пальцев, штифтов, шестерней, сальников и др. При этом имеется различное оборудование: съемники, прессы, стенды и специальные приспособления с ручным или механическим приводом. В машиностроении используют один из способов разборки, описанных в табл. 2.5. Основным преимуществом механической распрессовки является ее высокая производительность. К числу недостатков этого способа разборки относятся: возможность повреждений сопрягаемых поверхностей (риски, задиры), значительное рассеяние значений усилий распрессовки, практическая невозможность применения эффективных антикоррозионных покрытий. При тепловом методе разборки ступицы нагревают индукционным методом, в камерных электропечах, с помощью горелок, в ваннах с жидкостью. Температура нагрева зависит от натяга, но не должна, как правило, превышать температуру, при которой происходит структурное изменение материала. В производственных условиях температура нагрева должна находиться в определенном интервале, нижний предел которого , где а - коэффициент линейного расширения материала; - дополнительная температура, обеспечивающая демонтажный зазор при надевании детали; - натяг; - номинальный диаметр втулки.
Основными достоинствами теплового метода разборки являются: высокая прочность соединения, исключение повреждений поверхностей при формировании, возможность применения эффективных антикоррозионных покрытий, лучшая, чем при механическом способе, возможность автоматизации разборки. К недостаткам этого метода относятся: необходимость естественного или принудительного охлаждения узла перед последующей обработкой, образование в ряде случаев зазора между торцами смежных деталей, расположенных на одном валу. Нагрев деталей сложной формы может явиться причиной возникновения температурных напряжений, нежелательных изменений в микроструктуре, местных деформаций, снижения твердости и окисления поверхностей деталей.
Часто при разборке вместо нагрева охватывающей детали пользуются обратным методом, то есть охлаждением охватываемой детали.
Развитие холодильной техники предопределяет возможность расширения применения посадок с помощью холода. В зависимости от требуемых натягов вал охлаждают жидким азотом, температура кипения которого -196 С, или твердой углекислотой, которая испаряется при -78 С.
Преимуществами холодного способа являются высокая прочность соединений и отсутствие повреждений сопрягаемых поверхностей. К недостаткам относятся невозможность осуществления посадок с большими натягами и значительный расход охлаждающих материалов. Время охлаждения охватываемых деталей меньше, чем время нагрева охватывающих. Приступать к охлаждению необходимо после того, как охватывающая деталь полностью готова к разборке. Сопрягаемые поверхности обеих деталей должны быть тщательно протерты и обезжирены. Разборка узлов при этом способе значительно дешевле. Все большее распространение получает гидропрессовый способ разборки соединений, осуществляемый с помощью нагнетания масла в зону соединения [72]. Достоинствами этого метода разборки являются: высокая производительность процесса, возможность получения сопряжений с любым определяемым давлением масла натягом, отсутствие повреждений сопрягаемых поверхностей. К недостаткам следует отнести несколько меньшую прочность соединений по сравнению с тепловыми соединениями при равных натягах.
Механический Приложение осевого усилия Осуществляется различными съемниками, прессами или с применением динамических усилий
Гидравлический Подача масла по системе отверстий и канавок Масло под высоким давлением Гидропрессовый Подача масла со стороны свободного торца Масло под высоким давлением и осевое усилие Термический Факельный нагрев, пластическая формация холодом Газовые горелки и прочие индукционно- нагревательные установки
Комбинированный Гидравлический с механическим, термический с механическим При разборке прессовых соединений выпрессовкой часто требуется приложение значительных усилий, зависящих от посадки соединяемых деталей. Усилия выпрессовки, соответствующие этим посадкам, могут достичь в исключительных случаях для различных условий величины 150 тыс. кгс. Известны различные приспособления и стенды для выпрессовки втулок (их часто используют и для запрессовки). Уместно при этом отметить актуальность методов и инструментов, обеспечивающих ослабление связи элементов (деталей) прессового соединения, например, виброударного и виброволнового воздействия [11, 22, 34, 99, 118].
В результате анализа проблемы установлены следующие основные причины, затрудняющие разборку прессовых и резьбовых соединений изделий: 1) применение обычных устройств (специальных приспособлений и инструментов) малоэффективно, поскольку из-за высоких прикладываемых моментов или усилий происходит пластическое деформирование пазов (под ключ), что делает невозможным разборку изделия; 2) вследствие долгого хранения (до 30 лет) возможно образование адгезионных и коррозионных связей в прессовом и резьбовом соединении, затрудняющих его разборку; 3) механическая обработка и доработка изделия, а также применение ударного инструмента для некоторых изделий не всегда допускаются вследствие возможности появления отрицательных факторов (например, срыва и пр. с места соединения); 4) некоторые изделия запрессуются или завинчиваются со значитель-ным усилием или моментом, и место стыка заполняется "герметиком". Стремление решить поставленные задачи привело к созданию и внедрению виброволнового метода разборки.
Метод анализа и классификации объектов исследований
Виброволновое воздействие на элементы соединения оказывается одним из эффективных способов значительного снижения требуемого усилия для разъединения элементов соединения, что представляет возможность снизить трудоемкость разборки и время выполнения данной операции [15, 20, 22]. Изучение и обоснование эффекта. Возмущение, происшедшее в какой-нибудь точке стержня в некоторый момент времени, проявляется спустя определенное время на интересующем нас расстоянии от начальной точки благодаря сообщаемой энергии, т. е. передается с определенной скоростью в положительном направлении оси х ( ), и если учитывать сопротивление среды (гашения волн), то амплитуда волны, как показывает опыт, уменьшается по закону , где - коэффициент затухания волны (м-1); - амплитуда волны. Тогда виброволновое уравнение принимает вид (2.14) где - круговая частота колебаний частиц среды стержня; - расстояние от точки образования волны; t – время; - точка приложения волны.
На самом деле волны характеризуются возможностью отражения, преломления, дисперсии, интерференции и дифракции вследствие вынужденного вибрационного воздействия. Поэтому, проходя через тиски (рис. 2.11), часть волны в них отражается (поперечные), а другая часть поглощается в стальном стержне. Это свидетельствует о некотором уменьшении амплитуды колебаний конечной части стержня (волновода), расположенного после тисков. Кроме того, приведенное уравнение показывает, что волны распространяются во всех направлениях, следовательно, имеют место продольные и поперечные волны. Существуют три принципиальные схемы виброволновой разборки с использованием продольных (тангенциальных), поперечных (радиальных) и крутильных колебаний.
В стержне волновода будет распространяться продольная и поперечная волны, скорость которых легко определить по формуле где - плотность среды (стержня); G - модуль сдвига среды. При малых продольных деформациях тонкого стержня (d L), как в нашем случае, справедлив закон Гука: , где - напряжение (Н/м2), Е - модуль Юнга (Па). С учетом рис. 2.11 и выражения (2.15) и считая что, сообщаемая энергия переходит в кинетическую и тепловую, часть энергии будет распространяться в тиски. Описанное явление обусловлено поперечным распространением волны на стальном стержне и характеризуется некоторой потерей энергии. Таким образом, установлено, что скорость, с которой материал в определенной точке движется при прохождении через нее волны, выражается (согласно [15]) по формуле
Указанная формула показывает, что скорость зависит только от материала стержня, т.е. модуля упругости и плотности материала. Кроме того, вся сообщаемая энергия переходит в кинетическую и в тепловую, поскольку имеет место удар (соударение). Если подставить в (2.14) , тогда . (2.17) С другой стороны, . (2.18) С учетом полученного в (2.17) и (2.18), общее волновое уравнение записывается следующим выражением . (2.19)
Уравнение (2.19) является волновым уравнением. Во многих случаях оно оказывается весьма полезным. Выясним физический смысл производных, входящих в это волновое уравнение. Производная по времени - это проекция скорости частицы среды, движущейся около своего положения равновесия, a - относительная деформация среды. Сообщая удар по свободному концу сплошного стержня, пневмоударник осуществляет вибрационное воздействие с заданной энергией , которая распределяется на тепловую энергию и кинетическую энергию , определяемую выражением и . (2.20)
Поскольку энергия образуется за счет потока воздуха, имея давление , ее можно определить по известному методу выражением . (2.21) Максимальное значение энергии определяется через мощность : . (2.22) Следовательно: , (2.23) где - площадь поперечного сечения труб подачи воздуха; - внутренний диаметр трубы; - рабочее давление в сети. Тогда уравнение (2.14) принимает вид
В работах [34, 105, 118] установлено, что наложение на вал продольных колебаний приводит к его упругим продольным деформациям на величину, пропорциональную амплитуде и поперечным деформациям диаметра вала в один и другой полупериод колебаний на величину
где - коэффициент Пуассона, - коэффициент корректировки виброволнового нагружения, зависящего от исходной посадки в соединении: при наличии натяга ; .
Анализ приведенной формулы показывает, что разборка соединения после виброволнового нагружения осуществляется с переменным натягом в условиях дискретного и динамического взаимодействия поверхностей. Следовательно, возрастают или снижаются фактические контактные давления, снижаются силы трения и сопротивление пластическому деформированию, что ведет к уменьшению усилий разборки. В результате фактический натяг в соединении снижается, что должно было бы привести к потере его прочности. Но этого не происходит, так как образование продуктов износа, заполняющих впадины микрорельефа, сопровождается увеличением площади контакта деталей, ростом сил трения и в конечном итоге повышением прочности соединения. Причем процесс разборки осуществляется непосредственно только в момент уменьшения размера вала, когда фактический натяг изменяется в пределах где - расчетный натяг в соединении.
Экспериментальные исследования влияния виброволнового воздействия на разборку прессовых соединений при различных схемах нагружения
Влияние амплитудно-частотной характеристики. В этом разделе представлены результаты исследований возможности и условий осуществления очистки и мойки деталей от различного рода загрязнений в процессе ВиО согласно методике, описанной в предыдущей главе. Очистка производилась на вибрационной установке модели УВГ-4х10 с объемом рабочей камеры 10 дм; загрузка рабочей камеры средой составляла .
Результаты исследований представлены на рис. 4.11 и 4.12, характеризующих влияние амплитуды и частоты колебаний соответственно. Оба рисунка показывают что, несмотря на то, что съем зависит от амплитуды и частоты колебаний, вид загрязнения также оказывает определенное влияние на указанные процессы. Проанализировав приведенные результаты, можно представить физическую сущность процесса очистки детали от краски, грунта, окалины и коррозии следующим образом. Очистка детали в процессе вибрационной обработки происходит под действием встряхивания, соударений и переменных ускорений, микроударов частиц рабочей среды, расклинивающего действия технологической жидкости (при работе с непрерывной промывкой).
Рис. 4.11. Зависимость съема различных видов загрязнений от амплитуды колебаний: частота колебаний – 30 Гц; рабочая среда - абразивные гранулы ПТ 15х15; ТЖ - раствор кальцинированной соды 200мл/5л С увеличением амплитуды колебаний съем твердых загрязнения растет, что объясняется увеличением сил микроударов частиц рабочей среды и пути активного воздействия их на обрабатываемую поверхность.
Рис. 4.12. Зависимость съема различных видов загрязнений от частоты колебаний: амплитуда колебаний - 3 мм; рабочая среда - абразивные гранулы ПТ 15х15; ТЖ - раствор кальцинированной соды 200мл/5л При неизменной частоте колебаний путь, который проходит каждая частица рабочей среды, возрастает с увеличением А и, следовательно, скорость движения частиц рабочей среды возрастает, так как за тот же промежуток времени, равный периоду колебаний, частицы рабочей среды проходят относительно больший путь. С увеличением скорости перемещения возрастают и ускорения частиц. Рост ускорения при неизменной массе частиц рабочей среды вызывает увеличение силы, с которой каждая частица рабочей среды ударяет об обрабатываемую поверхность.
С увеличением пути, который проходит каждая частица рабочей среды, возрастает длина скольжения ее по обрабатываемой поверхности, растет участок активного воздействия частиц рабочей среды на обрабатываемую поверхность.
С увеличением амплитуды А, помимо роста скорости колебательного движения частиц рабочей среды, растет также и скорость вращения (циркуляции) всей массы рабочей среды. Известно, что в процессе виброабразивной очистки съем твердых загрязнений происходит за счет двух видов относительного перемещения частиц рабочей среды и обрабатываемых деталей: колебаний каждой частицы и вращения (циркуляции) всей массы рабочей среды. Таким образом, с увеличением А съем твердых загрязнений растет и за счет увеличения скорости вращения (циркуляции) всей массы рабочей среды.
Математическая обработка результатов экспериментов позволила определить уравнение, характеризующее зависимость съема металла от амплитуды колебаний: Рост съема твердых загрязнений с увеличением частоты колебаний объясняется увеличением числа микроударов абразивных частиц об обрабатываемую поверхность в единицу времени, возрастанием скорости относительного скольжения их и сил микроударов в результате увеличения ускорений абразивных частиц при неизменной их массе. Наблюдение за поведением рабочей среды в камере установки показало, что с увеличением частоты колебаний циркуляционное движение (вращение) всей массы рабочей среды ускоряется. Следовательно, рост съема твердых загрязнений в данном случае происходит вследствие более интенсивного перемешивания (циркуляции) рабочей среды.
С увеличением частоты колебаний плотность сыпучего материала (в данном случае абразивной среды) уменьшается, что приводит к снижению давления рабочей среды на поверхность обрабатываемых деталей и может сопровождаться снижением интенсивности удаления загрязнений. Колебания от стенок рабочей камеры передаются не в равной степени всему находящемуся в ней материалу (рабочей среде), а имеет место постепенное затухание их по мере удаления от стенок рабочей камеры. Следует полагать, что с ростом частоты колебаний слой с наибольшей амплитудой колебаний будет сужаться и находиться в непосредственной близости к стенкам рабочей камеры; объем рабочей среды с уменьшенной амплитудой колебаний частиц будет, таким образом, увеличиваться с ростом частоты колебаний, что в конечном итоге также приведет к снижению интенсивности вибрационного воздействия всей массы рабочей среды и к уменьшению съема загрязнений с образцов.
Математическая обработка результатов экспериментов позволила определить уравнение, характеризующее зависимость съема твердых загрязнения от частоты колебаний: , (4.2) где f- частота колебаний, кол/мин; С, a, d – эмпирические коэффициенты, имеющие определенные значения для каждого из обрабатываемых материалов (см. табл. 4. 1).
Влияние характеристики инструментальной среды. Эксперименты такого характера проводились с выполнением условий, указанных на рис. 4.13. При этом можно утверждать, что моечно-очистные процессы в значительной мере зависят от применяемой инструментальной среды. Поэтому в зависимости от требования к качеству обрабатываемых поверхностей следует выбирать среду, способствующую оптимизации процесса. Дополнительно установлено, что с увеличением размеров абразивных гранул съем твердых загрязнений увеличивается. С этой целью учитывают прежде всего их размеры, твердость и зернистость.
Рост съема твердых загрязнений с увеличением размеров абразивных гранул объясняется относительно большей силой, с которой частицы наносят в процессе обработки микроудары по обрабатываемой поверхности. При этом следует отметить, что усилия микроударов абразивных частиц в процессе обработки оказывают большее влияние на съем твердых загрязнений, чем количество микроударов. Съем твердых загрязнений наиболее интенсивно растет при увеличении грануляции до 20-30 мм; при дальнейшем увеличении гранул рост съема твердых загрязнений заметно ниже. Указанное явление, очевидно, объясняется уменьшением скорости циркуляции рабочей среды.
Следует также отметить, что среди других параметров процесса вибрационной обработки размер частиц рабочей среды является одним из факторов, наиболее существенно влияющих на съем твердых загрязнений и протекание процесса в целом.
