Введение к работе
С развитием техники повышаются требования к машинам, механизмам и оборудованию, а условия эксплуатации становятся более интенсивными, зачастую приближаясь к экстремальным: увеличиваются силовые нагрузки, тепловые воздействия и длительность работы без возможности повседневного технического обслуживания. Получение при изготовлении требуемой точности (степени приближения реальных геометрических характеристик к их номинальным значениям) высоконагруженных деталей и обеспечение возможности сохранить необходимую точность при эксплуатации является поэтому одной из задач, решаемых при разработке и постановке на производство новой техники.
Актуальность проблемы состоит в том, что современные конструкционные материалы и технологии, как правило, позволяют создавать машины, механизмы, технологическое оборудование, соответствующие перспективным потребностям рынка продукции машиностроения, однако сдерживающим фактором может оказаться недостаток методологического обеспечения, необходимого для рациональной организации комплекса конструкторских и технологических работ, в полной мере реализующих возможности материалов и технологий. Адекватное прогнозирование на этапе проектирования поведения продукции в эксплуатации и соответствующее построение технологического процесса должно привести к снижению объема опытных работ и доработок проектов и технологий по результатам испытаний опытных образцов и партий продукции, к снижению стоимости и продолжительности цикла разработки и освоения новой продукции. В этой связи представляется целесообразным введение нового объекта исследования - «эксплуатационной точности». Этим термином в настоящей работе обозначено качество продукции, сочетающее точность изготовления и способность сохранять полученную или приемлемую точность в течение заданного или максимального времени в известных условиях или в известном интервале условий эксплуатации. От точности изготовления эксплуатационная точность отличается идентифицированным приложением — учетом конкретных условий (температуры, усилий и т.д.) и продолжительности эксплуатации. К примеру, ценность высокой точности изготовления ничтожна, если в условиях эксплуатации под действием высокой температуры в кратчайшие сроки происходят сопровождающиеся макроскопическими деформациями структурно - фазовые изменения материала изделия, предназначенного для длительной эксплуатации; аналогичны результаты несоблюдения требований конструктивной совместимости элементов изделия, неверного прогнозирования износа трущихся поверхностей, релаксации или перераспределения остаточных механических напряжений, если при проектировании изделия и разработке технологии его изготовления не предприняты адекватные предупреждающие меры). От точности изделия в условиях эксплуатации эксплуатационная точность отличается комплексностью, включением в область определения, кроме эксплуатационных процессов, технологических процессов изготовления.
Цель работы: обеспечение эксплуатационной точности машин и механизмов на этапах проектирования и разработки технологии изготовления.
РОС НАЦИОНАЛЬНА» БИБЛИОТЕКА СПскр ОЭ J50
Поставленныезадачи:
разработка основ методологии обеспечения эксплуатационной точности высоконагруженных деталей и сопряжений машин и механизмов на этапах проектирования и разработки технологии изготовления;
разработка основанного на этой методологии системного комплекса новых технологических процессов изготовления длинномерных изделий для обеспечения возможности создания продукции повышенного качества.
Разработка методологии потребовала решения ряда частных задач:
определения общих принципов методологии и основных методов обеспечения эксплуатационной точности изделий;
разработки недостающих для относительной завершенности методологии математических моделей, описывающих взаимодействие изделия с окружающей рабочей средой, и математических моделей характеристик изделия, необходимых для разработки и оптимизации технологических процессов изготовления;
- демонстрации предлагаемых методов в новых разработках.
Методы исследования.
В работе применялось математическое моделирование процессов, в том числе статистическое моделирование, математические методы оптимизации и оптимального управления. Проводились экспериментальные и производственные исследования, для обработки результатов которых использовались методы математической статистики. Новые разработки проходили промышленное опробование или внедрялись в производство.
Достоверность и обоснованность научных положений.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обоснована корректным применением математических методов, тестированием разработанных компьютерных программ, результатами экспериментального и производственного исследования, непротиворечием известному опыту изготовления длинномерных крупногабаритных деталей.
Научная новизна и защищаемые положения:
-
Эксплуатационная точность деталей и узлов машин и механизмов, рассматриваемая как совокупность точности, полученной при изготовлении, и способности сохранять эту или приемлемую точность в конкретных условиях эксплуатации в течение заданного или максимального срока, обеспечивается системным подходом к проектированию и разработке технологии изготовления, который можно рассматривать как прикладное научное направление. Разработаны основы методологии обеспечения эксплуатационной точности на разных этапах создания новой техники.
-
Эксплуатационная точность как категория, определяемая применительно к конкретным условиям эксплуатации, обеспечивается при адекватной идентификации эксплуатационных процессов и условий. В результате исследований получены новые решения задачи тепловой динамики трения и износа (с учетом теплообмена между соприкасающимися поверхностями) и новые экспериментальные данные и обобщенные результаты по динамике и наследственности процессов трения. При анализе и обобщении экспериментальных и производственных данных предложены и обоснованы математическая модель реологиче-
ских процессов в материалах на основе модели ползучести акад. Ю.Н. Работно-ва, дополненной уравнением релаксации структурного параметра, и математическая модель формирования случайных распределенных погрешностей изготовления на основе суммирования (интегрирования) малых случайных слабокоррелированных отклонений.
-
На этапе проектирования одним из условий обеспечения эксплуатационной точности является выполнение требований конструктивной совместимости деталей и узлов машин и механизмов. Эти требования сформулированы в явной форме, а задачи их выполнения классифицированы, в зависимости от содержания, как статическая, кинематическая или динамическая.
-
Характеристики и свойства продукции включают фиксированную составляющую (номинальные и измеряемые средние значения), вероятностную (случайные статистически измеряемые характеристики) и нечеткую (технологическая наследственность, характеристики, не заданные или заданные неявно) составляющие. Обеспечение эксплуатационной точности на этапе разработки технологии связано с управлением технологической наследственностью путем целенаправленного формирования остаточных напряжений, способных компенсировать возможные эксплуатационные деформации, и путем оптимизации последовательности, схем, граничных условий (схемы установки и выверки деталей и их обработки) технологических операций. Для прогнозирования эксплуатационной точности и оптимизации технологических процессов изготовления разработаны математические модели формирования основной погрешности изготовления - отклонения оси от прямолинейности - для практически полного цикла изготовления длинномерных изделий. На основе созданных математических моделей разработан ряд новых технологических процессов.
-
При освоении производства новой техники эксплуатационная точность обеспечивается созданием условий для воспроизведения и повторяемости характеристик качества продукции. Этими условиями являются: автоматизация технологических процессов, программирование (алгоритмизация) технологических процессов с интеллектуальной составляющей («человеческим фактором»), оптимизация и автоматизация проектирования и информационное обеспечение технологических процессов. В результате проведенных исследований разработаны новые технические решения по указанным направлениям.
Практическая значимость работы и прикладные результаты.
Практическая значимость работы состоит в том, что разработанная методология позволяет при проектировании технически сложной продукции и разработке технологии ее изготовления целенаправленно организовать комплекс работ по обеспечению необходимой эксплуатационной точности, в том числе на основе современных индустриальных методов их проведения.
Реализация работы. В приложение к диссертации включены документы, подтверждающие практическое использование результатов исследования.
Разработки применялись в производстве в ОАО «Нижегородский машиностроительный завод», в ЦКБА (г. С.-Петербург), на Семипалатинском арматурном заводе, в ОАО «Мотовилихинские заводы» (г. Пермь), в ФГУП «Завод №9» (г. Екатеринбург), в НЛП «Пика» (г. Пермь), в ОАО «УралЛУКтрубмаш» (г. Челябинск), на нефтедобывающих предприятиях.
Апробация работы. Основные положения работы докладывались на семинаре «Создание и внедрение научно-технических достижений отраслевых НИИ, НПО и КБ» (Харьков, 1991), Всесоюзной конференции «Высокопроизводительное оборудование и прогрессивные технологии в машиностроении» (Красногорск, 1991), Четвертой Всероссийской научной internet- конференции «Компьютерное и математическое моделирование в естественных и технических науках» (Тамбов, 2002), на расширенном заседании кафедры ПММ Иж-ГТУ (Ижевск, 2002, 2003), Третьей Международной научно - практической конференции «Компьютерные технологии в науке, производстве, социальных и экономических процессах» (Новочеркасск, 2002), Всероссийской научно - технической конференции «Аэрокосмическая техника и высокие технологии -2004» (Пермь, 2004).
Публикации. Содержание диссертации изложено в 37 статьях и 7 кратких сообщениях. Новые технические решения защищены авторскими свидетельствами и патентами на изобретение - 22 по теме диссертации.
Структура и объем диссертации.
Работа состоит из введения, 6 глав, общих выводов и изложения основных результатов, списка литературы, содержащего 198 наименований работ отечественных и зарубежных авторов. Обгций объем диссертации 408 страниц машинописного текста, включая 85 рисунков и 71 таблицу.
