Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ технологии изготовления и условий эксплуатации коллекторов электрических машин 13
1.1. Анализ служебного назначения коллекторов и технических условий на их изготовление 13
1.2. Выявление технологических факторов изготовления коллектора, оказывающих влияние на качество его работы 17
1.3. Анализ процесса формирования параметров качества коллектора на технологических операциях его изготовления 22
1.3.1. Выявление влияния технологии изготовления коллекторных пластин на качество работы коллектора 23
1.3.2. Анализ формирования параметров качества коллектора на токарных операциях 25
1.3.3. Анализ формирования микрорельефа и свойств поверхностных слоев контактной поверхности коллектора на шлифовальной операции 28
1.3.4. Анализ обеспечения требуемой точности коллектора в процессе его сборки 29
1.4. Выявление влияния технологических этапов изготовления коллектора на сохранение его параметров качества в процессе эксплуатации 33
1.5. Формулирование проблемы и постановка задач исследования 40
ГЛАВА 2. Обеспечение параметров качества коллектора с учетом технологической наследственности и условий эксплуатации 42
2.1. Разработка общей структуры формирования параметров качества коллектора на базе учета технологической наследственности и условий эксплуатации 42
2.2. Исследование формирования макрогеометрических отклонений рабочей поверхности коллектора с учетом технологической наследствен з ности и условий эксплуатации 51
2.3. Исследование формирования волнистости, микрогеометрии и качества поверхностного слоя рабочей поверхности коллектора с учетом технологи ческой наследственности и условий эксплуатации 66
2.4. Выводы 77
ГЛАВА 3. Исследование изменения достигнутых геометрических параметров точности коллектора путем моделирования его теплового и напряженно деформированного состояния, возникающего при эксплуатации 79
3.1. Разработка методики имитационного моделирования теплового состояния коллектора при его эксплуатации 80
3.2. Анализ теплового состояния коллектора в условиях его эксплуатации .. 96
3.3. Исследование изменения погрешности формы рабочей поверхности коллектора путем моделирования его напряженно-деформированного состояния в процессе эксплуатации 102
3.4. Анализ влияния сил, действующих в процессе эксплуатации-коллектора, на изменение погрешности формы контактной поверхности 105
3.5. Выводы 111
ГЛАВА 4. Достижение требуемого качества изготовления коллектора на токарных операциях 113
4.1. Обоснование выбора режимов и режущего инструмента для предварительной токарной обработки по критерию виброустойчивости 114
4.2. Обоснование выбора режимов чистовой прерывистой токарной обработки якоря в сборе с учетом критерия виброустойчивости 126
4.3. Исследование влияния режимов точения коллектора на частоту и виброускорение элементов технологической системы 135
4.4. Исследование и обоснование режимов точения, определяющих формирование волнистости и микрогеометрии рабочей поверхности коллектора 148
4.5. Выводы 152
ГЛАВА 5. Технологическое обеспечение точности формы контактной поверхности коллектора 153
5.1. Обеспечение качества сборки коллектора на операции технологического нагрева 154
5.1.1. Разработка методики моделирования операции технологического нагрева в процессе выполнения сборочной операции 155
5.1.2. Технологические методы повышения эффективности процесса сборки 166
5.2. Обеспечение допустимой погрешности тепловых деформаций коллектора при точении 168
5.2.1. Анализ особенностей распределения тепловых потоков при точении медной поверхности 169
5.2.2. Формирование расчетной модели, граничных и начальных условий, методика и результаты вычислительного эксперимента 178
5.3. Выводы 186
ГЛАВА 6. Технологические методы обеспечения микрорельефа и свойств поверхностных слоев контактной поверхности коллектора на токарных операциях 187
6.1. Оценка формируемых параметров шероховатости поверхности при чистовом точении методом полнофакторного эксперимента 188
6.2. Оценка формируемых параметров шероховатости поверхности при черновом, получистовом точении методом рототабельного планирования эксперимента 198
6.3. Выявление особенностей процесса стружкообразования при точении прерывистой медной поверхности 208
6.4. Выявление особенностей деформационных и силовых процессов при точении прерывистой медной поверхности 225
6.5. Исследование формирования физико-механических свойств поверхностного слоя электротехнической меди под действием технологических параметров токарной обработки 235 6.6. Разработка аналитической модели формирования шероховатости поверхности при точении медной поверхности коллектора 251
6.7. Выводы 261
ГЛАВА 7. Разроботка технологии отделочно-упрочняющеи обработки контактной поверхности коллектора 263
7.1. Обоснование применения отделочно- упрочняющей обработки в качестве
финишного метода обработки контактной поверхности коллектора 264
7.2. Обоснование оптимальной геометрии накатного инструмента для обеспечения требуемого качества при высокой производительности 266
7.3. Оценка формируемых параметров микрорельефа при обкатывании медной прерывистой поверхности 274
7.3.1. Использование схемы полного трехфакторного эксперимента 276
7.3.2. Использование схемы рототабельного планирования второго порядка 283
7.3.3. Исследование микрорельефа поверхности с использованием профилограмм 289
7.4. Оценкаформируемых параметров твердости и структуры поверхностных
слоев при обкатывании медной прерывистой поверхности 294
7.5.Выводы 312
ГЛАВА 8. Разроботка методологии проектирования технологического процесса, обеспечивающей заданные параметры качества при минимальных затратах 315
8.1. Разработка основных направлений повышения эффективности проектирования технологических процессов 316
8.2. Разработка системы технических ограничений на операциях технологического процесса 321
8.3. Выводы 329
Заключение 330
Библиографический список
- Анализ процесса формирования параметров качества коллектора на технологических операциях его изготовления
- Исследование формирования макрогеометрических отклонений рабочей поверхности коллектора с учетом технологической наследствен з ности и условий эксплуатации
- Анализ теплового состояния коллектора в условиях его эксплуатации
- Обоснование выбора режимов чистовой прерывистой токарной обработки якоря в сборе с учетом критерия виброустойчивости
Введение к работе
Актуальность темы исследования. Коллекторные электрические машины находят свое применение в различных отраслях и сферах: в металлургической, горнодобывающей, строительной, автомобильной промышленности, на железнодорожном и городском транспорте, в качестве приводов различных транспортных средств, разнообразных устройств и механизмов, в бытовых и промышленных электроприборах. Коллекторные машины в исполнении двигателей и генераторов выпускают мощностью от долей ватт до десятков тысяч киловатт. Номинальные рабочие диаметры коллекторов согласно ГОСТ 19780-81 имеют очень широкий диапазон: от 1,25 мм до 3150 мм.
Коллектор является наиболее сложным и ответственным звеном электрической машины, определяя надежность и ресурс работы этого класса машин. Это связано с особенностями конструктивного исполнения, сложным напряженно-деформированным состоянием в условиях эксплуатации и жесткими требованиями, предъявляемыми к качеству рабочей поверхности для обеспечения благоприятных условий работы скользящего контакта. Проблема обеспечения высокой коммутационной устойчивости до конца не решена и остается весьма актуальной. Затраты на ремонт и эксплуатацию коллекторных машин очень велики, и в некоторых машинах за один год составляют около 1/3 стоимости машины.
Надежность и качество работы коллекторного узла во многом определяются технологией его изготовления, являющейся наиболее дорогостоящим и длительным этапом при производстве электрических машин. Традиционная технология имеет ряд недостатков и существенный резерв повышения эффективности, который может быть обеспечен за счет учета эксплуатационных нагрузок посредством применения современных средств имитационного моделирования, обоснования и обеспечения комплекса параметров качества с учетом технологической наследственности, применения альтернативного метода финишной обработки, использования научно обоснованных технологических режимов и оптимизации технологического процесса.
В связи с вышеизложенным актуальной проблемой является создание теоретических основ и методологии технологического обеспечения заданных уровней параметров качества коллекторов, обусловленных служебным назначением и условиями эксплуатации, при минимальных затратах труда, материальных и энергетических ресурсов.
Целью диссертационной работы является создание теоретических основ и методологии проектирования высокоэффективных ресурсосберегающих технологических процессов изготовления коллекторов электрических машин на базе учета технологической наследственности и условий эксплуатации.
Достижение поставленной цели потребовало постановки и решения следующих задач:
1. Разработка теоретических основ технологического обеспечения
заданных уровней комплекса параметров качества коллекторов посредством
выявления закономерностей и связей между параметрами качества,
достигаемыми на основных этапах технологического процесса, и условиями
проведения технологических операций с учетом технологической
наследственности и эксплуатационных характеристик электрической машины.
2. Создание методологии проектирования и оптимизации
технологического процесса изготовления коллекторов с целью обеспечения
требуемого качества при минимальных затратах труда, материальных и
энергетических ресурсов.
-
Создание имитационных моделей эксплуатационного состояния изделия как средства выявления влияния технологических параметров, назначаемых в процессе изготовления, на изменение параметров качества под действием эксплуатационных нагрузок.
-
Обеспечение заданных параметров качества коллектора на отдельных операциях технологического процесса с учетом конструктивных особенностей изделия: требуемой плотности соединения изоляционных и медных пластин при проведении сборочных операций, допустимых параметров вибраций на токарных операциях в условиях прерывистого резания.
-
Построение моделей и алгоритмов технологического обеспечения отдельных показателей качества изделия: точности формы и микрорельефа контактной поверхности, заданных свойств поверхностных слоев с учетом неоднородности структуры коллектора и физико-механических свойств меди.
-
Разработка высокоэффективной технологии финишной отделочно-упрочняющей обработки рабочей поверхности коллектора поверхностным пластическим деформированием с целью повышения качества поверхностного слоя и улучшения условий работы скользящего контакта.
Методы исследования. Теоретические исследования проводились на базе научных основ технологи машиностроения, теории резания, сопротивления материалов, термоупругости, метода конечных элементов, методов вычислительной математики, с использованием методов математического моделирования и современных графических и вычислительных пакетов и систем для ЭВМ. Экспериментальные исследования проводились в лабораториях БГТУ им.В.Г. Шухова, ЦКП БелГУ, в производственных условиях на современном оборудовании с использованием новейших контрольно-измерительных средств.
Достоверность результатов обеспечена корректностью постановки
задачи, обоснованным использованием аналитических зависимостей,
строгостью использованного математического аппарата, корректностью
постановки экспериментов и обработки экспериментальных данных,
подтверждается качественным и количественным соответствием
теоретических исследований с экспериментальными данными, полученными
как лично автором, так и другими исследователями, а также практическим применением результатов в промышленности.
На защиту выносятся теоретические основы и методология проектирования высокоэффективных технологических процессов изготовления коллекторов электрических машин на базе учета технологической наследственности и условий эксплуатации; методика имитационного моделирования эксплуатационного состояния коллекторов и обоснования технологических параметров; методика технологического обеспечения виброустойчивости процесса прерывистого резания на токарных операциях; методика технологического обеспечения заданных уровней комплекса параметров качества коллекторов; применение технологии отделочно-упрочняющей обработки поверхностным пластическим деформированием в качестве финишной обработки рабочей поверхности коллекторов.
Научную новизну составляют:
1. Теоретические основы технологического обеспечения заданных уровней
комплекса параметров качества коллекторов, закономерности и структурно-
логические связи между достигаемыми параметрами качества и условиями
проведения технологических операций с учетом технологической
наследственности и условий эксплуатации.
-
Методология оптимизации технологического процесса изготовления коллекторов, обеспечивающая требуемые значения параметров качества при минимальных затратах труда, материальных и энергетических ресурсов с учетом технологической наследственности и условий эксплуатации.
-
Методика имитационного моделирования теплового и напряженно-деформированного состояния коллектора в процессе эксплуатации, устанавливающая влияние технологических параметров изготовления на изменение достигнутых параметров качества под действием рабочих нагрузок.
-
Закономерности протекания деформационных, силовых и тепловых явлений, сопровождающих точение меди, модели усадки стружки, сопротивления материала пластическому сдвигу, тангенциальной составляющей силы резания, являющиеся основой технологического обеспечения параметров качества на токарных операциях.
-
Аналитическая модель формирования шероховатости поверхности при точении меди, учитывающая физико-механические свойства меди и особенности прерывистого характера резания, позволяющая обоснованно назначать технологические параметры токарных операций в соответствие с требуемым значением шероховатости.
6. Технология поверхностного пластического деформирования как
эффективного способа финишной обработки рабочей поверхности коллектора,
обеспечивающая повышение качества поверхностного слоя и улучшение
условий работы скользящего контакта. Установленные закономерности
формирования микрорельефа поверхности и свойств поверхностных слоев при
обкатывании меди, позволяющие обеспечивать заданные параметры качества.
Практическая значимость.
1. Разработаны модели и алгоритмы технологического обеспечения
отдельных показателей качества изделия: точности формы и микрорельефа
контактной поверхности, заданных свойств поверхностных слоев, позволяющие
обосновывать требования к условиям и режимам проведения технологических
операций.
2. Повышена эффективность проведения сборки коллекторов за счет
применения методики обоснованного назначения длительности проведения
термической операции в зависимости от конструктивных особенностей и
габаритных размеров коллектора.
3. Предложена методика технологического обеспечения
виброустойчивости процесса точения на токарных операциях, обеспечивающая
максимальную производительность прерывистого резания при допустимых
параметрах вибрации элементов технологической системы.
4. Созданы имитационные модели теплового и напряженно-
деформированного состояния коллектора, позволяющие назначать
технологические параметры выполняемых операций в зависимости от
эксплуатационных нагрузок и обосновывать требования к точности
изготовления комплектующих.
5. Разработаны модели шероховатости поверхности при чистовом и
черновом (получистовом) точении меди, позволяющие обоснованно назначать
технологические режимы, обеспечивающие заданные значения.
6. Предложена эффективная технология отделочно-упрочняющей
обработки рабочей поверхности коллектора, улучшающая условия коммутации
скользящего контакта.
Реализация работы. Результаты работы приняты к внедрению на ООО «БелэлектроцентрСервис», ОАО «Гормаш», ОАО «БелагромашСервис», внедрены в учебный процесс при изложении курсов лекций «Технология машиностроения», «Математическое моделирование технологических процессов», «Оптимизация технологических процессов», при курсовом и дипломном проектировании, выполнении выпускных квалификационных работ, магистерских диссертаций по направлению 150900 «Технология, оборудование и автоматизация машиностроительных производств».
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертации доложены и обсуждены на международных и всероссийских научно-технических конференциях: «Повышение эффективности технологических комплексов и оборудования в промышленности строительных материалов и строительстве», г. Белгород, 1997 г.; «Компьютерное моделирование», г. Белгород, 1998 г.; «Информационные процессы и технологии», г. Белгород, 1998 г.; «Механика и процессы управления», г. Екатеринбург, 2002 г.; «Автоматизация: проблемы, идеи, решения», г. Севастополь, 2003 г.; «Современные технологии в промышленности строительных материалов и стройиндустрии», г. Белгород, 2003, 2005 гг.; «Образование, наука,
производство», г. Белгород, 2004 г.; «Механики - XXI веку», г. Братск, 2006 г.; «Научные исследования, наносистемы и ресурсосберегающие технологии в стройиндустрии», г. Белгород, 2007 г.; «Наука и молодежь в начале нового столетия», г. Губкин, 2008 г.; «Будущее машиностроения России», г. Москва, 2008 г.; «Материалы и технологии XXI века», г. Пенза, 2009 г.; «Актуальные проблемы машиностроения», г. Самара, 2009, 2010 гг; «Ресурсосберегающие технологии ремонта, восстановления и упрочнения деталей машин, механизмов, оборудования, инструмента и технологической оснастки от нано- до макроуровня», г. Санкт-Петербург, 2010 г.; «Математические методы в технике и технологиях», 2010 г.
Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано: монографий - 1; статей в рецензируемых изданиях центральной печати, рекомендованных ВАК РФ - 20, из них статей без соавторства - 7; статей в различных межвузовских сборниках научно-технических трудов - 26; учебных пособий - 4, из них с грифом УМО AM - 1, получен патент на полезную модель.
Под научным руководством автора по теме диссертационной работы подготовлена и защищена одна кандидатская диссертация.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, восьми глав, заключения, списка используемых источников из 168 наименований и приложения. Основная часть изложена на 350 с, включая 143 иллюстрации и 52 табл.
Анализ процесса формирования параметров качества коллектора на технологических операциях его изготовления
Процессы электромагнитного характера: электромагнитные нагрузки, напряжения между смежными пластинами, реактивная ЭДС, токовые перегрузки, неправильная настройка коммутации зависят в основном от электромагнитных характеристик электродвигателя в целом и закладываются на стадии конструкторского проектирования в процессе расчета электромагнитных параметров и могут лишь косвенно зависеть от технологии изготовления [76, 79, 152, 158].
Физико-химическая природа скользящего контакта определяется условиями токосъема и физико-химическими характеристиками материалов, участвующих в скользящем контакте, то есть характеристиками меди и материала щеток. При трении углеродного материала щетки по- медной контактной поверхности коллектора на ней формируется переходной слой, состоящий из слоя закиси меди (СшО) толщиной до 0,1 мкм и слоя перенесенного материала щетки. Передача тока согласно схеме Р. Хольма осуществляется посредством пробоя углеродным материалом закиси меди с образованием физического контакта углерода с частицами расплавленной меди. При таком механизме токосъема образуется высокое переходное сопротивление, что сопровождается нагревом, степень которого иногда приводит к рекристаллизации меди, а изнашивание сопровождается отделением частиц металла за счет взаимодействия одной из поверхностей с расплавленными микроучастками другой. В данном случае характеристики качества поверхностного слоя, а именно, высота микронеровностей контактной поверхности коллектора имеют первостепенное значение. Увеличение шероховатости поверхности коллектора уменьшает площадь контакта со щеткой, повышая тем самым переходное сопротивление.
Величина износа контактной поверхности коллектора имеет большое значение. Во-первых, это связано со сроком службы, коллектора, так как, исходя из конструктивных особенностей коллектора, величина износа по наружному диаметру имеет предельное значение, превышение которого требует замены коллектора. Во-вторых, износ сопровождается появлением мелких частиц меди. При вращении коллектора чешуйки меди, попадая в контакт коллектора со щетками, действуют как абразив, увеличивая износ щеток и коллектора. Накопление оторванных чешуек в межламельном пространстве может образовать нарост на сбегающем крае пластины и привести к замыканию двух соседних пластин между собой и, как следствие, возникновению кругового огня. Круговой огонь является серьезным нарушением в работе и может вывести из строя1 весь электродвигатель. В работе [137, 138] выявлена зависимость величины тока искрения от шероховатости поверхности для тяговых электродвигателей. Оптимальной шероховатостью с точки зрения тока начала искрения считается шероховатость 0,2-0,3 мкм Ra [137, 138]. Интенсивность износа также напрямую зависит от свойств материала коллектора и его твердости; G целью уменьшения износа токосъемною поверхности используют профили из медно-кадмиевогю сплава (БрКД-1), коллекторную медь с присадкой кадмия, серебра (сплав МС-1), циркония.
Коллектор электрической машины находится в напряженно-деформированном состоянии еще до начала работы двигателя. Такое состояние обусловлено наличием «усилия арочного распора», которое создается в процессе изготовления коллектора на операциях сборки и запрессовки круговой арки коллектора в нажимных конусах. При запрессовке нажимное кольцо давит на поверхность ласточкиных хвостов пластин и, под действием этого усилия круговая арка коллектора скользит по нажимному конусу радиально внутрь, уменьшая наружный диаметр коллектора и создавая боковое давление между коллекторными пластинами для обеспечения монолитности круговой арки. Уменьшение наружного диаметра происходит в основном за счет сжатия, изоляционных прокладок, находящихся между коллекторными пластинами. В процессе запрессовки изменяют свое положение, безусловно, и коллекторные пластины, искажая форму наружной контактной поверхности. Однако после окончания технологических операций формовки наружная поверхность коллектора подвергается окончательной обработке (токарные и шлифовальные операции). Таким образом, деформации контактной поверхности, возникающие в процессе изготовления коллектора, исключаются на последней стадии его изготовления. В процессе работы при вращении коллектора возникают центробежные силы, действие которых увеличивает наружный диаметр коллектора, а, следовательно, уменьшает усилие арочного распора. При этом ослабление предварительного затяга не должно вызывать относительного перемещения пластин под действием центробежных сил. Это условие обеспечивается технологией сборки и правильным назначением усилия запрессовки.
Факторы механического воздействия определяются технологическими и конструктивными особенностями машины: ослабление прессовки, эксцентриситет и эллиптичность коллектора, качество- поверхностного слоя контактной поверхности (твердость и шероховатость). Погрешность, формы коллектора можно разделить на два вида: 1. Отклонение поверхности коллектора, получающееся в результате смещения оси симметрии коллектора по отношению к оси вращения якоря. Какого-либо искажения формы самого коллектора и смещения его пластин относительно друг друга при этом не происходит, и радиус кривизны поверхности коллектора по всей окружности остается постоянным. 2. Отклонение за счет неравномерных радиальных деформаций отдельных участков коллектора, которые могут быть пластическими или упругими и проявляться в виде увеличения радиального биения (общего или местного). Данное отклонение характеризуется искажением формы самого коллектора с радиальным смещением коллекторных пластин относительно друг друга. Различают упругие деформации поверхности вращающегося коллектора, исчезающие при переходе в неподвижное состояние и остывании, и «остаточное биение», получающееся в результате необратимых деформаций под воздействием центробежных сил и нагревания деталей коллектора.
Нарушение цилиндричности коллектора, превышающее допустимую норму, может быть причиной серьезных повреждений. Эллипсность и эксцентриситет контактной поверхности вызывают искрение в контактах щеток, а, как следствие, — круговой огонь на коллекторе, пробой изоляции коллектора и обмотки якоря. Опасным и потому недопустимым в эксплуатации является «выползание» отдельных или целых групп коллекторных пластин, что приводит к возникновению остаточного биения контактной поверхности коллектора. Опыт электромашиностроительных заводов показывает, что выступание из цилиндрической поверхности даже одной коллекторной пластины более, чем на 10 мкм расстраивает коммутацию, вызывает скол щеток и выводит машину из строя. Остаточное биение различно в холодном и нагретом состоянии и обычно служит критерием стабильности формы, т. е. качества коллектора. ГОСТ 2582-81 «Машины электрические вращающиеся тяговые. Общие технические условия» [36] допускает изменение остаточного биения после разгона нагретого коллектора не больше 0,02 мм; причем изменение биения по окружности должно быть плавным.
Вопросу о влиянии процессов электромагнитного характера на надежность щеточно-коллекторного узла посвящено большое количество научно-исследовательских работ. Над проблемами хорошей и устойчивой коммутации работали такие ученых как Е. Арнольд, Р. Хольм, Карасев М.Ф., В. Гейнрих, О.В. Вегнер, В.Д. Авилов, Р.Ф. Бекишев, В.Т. Касьянов, А.С. Курбасов, Г.А. Сипайлов, А.И. Скороспешкин, Б.В. Токарев, В.В. Толкунов, В.В. Фетисов, B.C. Хвостов и многие другие [5, 8, 29, 34, 44, 45, 47, 76, 79, 82, 120, 131, 152, 158]. Результатами этих работ являются практические рекомендации, позволяющие уменьшить негативное влияние процессов электромагнитного характера. Вопросу же о влиянии факторов механического воздействия посвящено значительно меньшее количество работ [12, 21, 24].
Исследование формирования макрогеометрических отклонений рабочей поверхности коллектора с учетом технологической наследствен з ности и условий эксплуатации
Выражение (3.2) используют при проектировании электрических машин для определения среднего превышения температуры коллектора. При этом делают допущение, что все тепловые потери в щеточно-коллекторном контакте сначала поглощаются коллектором, а затем через поверхность коллектора передаются воздуху внутри машины.
Для анализа распределения температуры внутри коллектора некорректно использовать формулу (3.2), ее необходимо видоизменить. Рассмотрим один оборот коллектора. В его процессе каждая коллекторная пластина только часть времени находится под щетками. В этот период времени в пластину поступает тепловой поток от трения щеток и падения напряжения в переходном контакте. Когда пластина выходит из контакта со щеткой, часть теплового потока отводится конвекцией в омывающий коллектор воздух., С учетом части отводимого тепла1 запишем выражение (3.2) в следующем виде А =(Р,Ш +Рг.ш.-КаАЩ)/$К, (3.5) где к0 - коэффициент, учитывающий соотношение действия теплового потока и конвекции; ак — коэффициент конвективного теплообмена наружной поверхности коллектора; А0К - превышение температуры наружной поверхности коллектора над температурой окружающего воздуха.
Превышение наружной поверхности коллектора над температурой окружающего воздуха примем для установившегося теплового баланса.
Средняя температура воздуха внутри машины, а также величина собственных потерь на коллекторе может быть рассчитана достаточно точно по вышеприведенным формулам. Гораздо сложнее определить характер тепловой связи коллектора с якорем, так как он различен для разных исполнений двигателей и, кроме того, может изменяться в процессе работы двигателя. Так, например, при нормальной работе щеточно-коллекторного узла потери в обмотке якоря могут превышать потери на коллекторе и в этом случае тепловой поток будет поступать от якоря к коллектору. Однако, при нарушениях работы щеточно-коллекторного узла - возникновении искрения, отдельные пластины могут сильно перегреваться и вызывать перегрев соединенных с ними секций обмотки якоря, передавая в них возникающий избыток тепла.
Дело в том, что величина общих потерь якоря практически постоянна, так как зависит в основном от конструктивных параметров якоря: площади поперечного сечения провода обмотки, средней длины витка, количества витков, диаметра и длины сердечника якоря. Потери же на коллекторе зависят от величины падения напряжения в контактах щеток и коэффициента трения, которые не являются величинами постоянными. В особенности это касается падения напряжения, так как на его значение оказывает большое влияние условия контакта щеток и коллектора: состояние трущихся поверхностей, удельное давление щеток. Кроме того, в процессе работы двигателя под действием центробежных и температурных усилий могут возникать различные дефекты наружной (контактной) поверхности коллектора: «выползание» отдельных коллекторных пластин, эллипсность, эксцентриситет, что ведет к ухудшению условий контакта под отдельными пластинами или их группой и вызывает искрение. Искрение коллектора в свою очередь обуславливает перегрев отдельных пластин.
Тепловой поток между якорем и коллектором возникает в результате разности температур активных элементов — секций обмотки якоря и коллекторных пластин, имеющих тесную взаимосвязь вследствие высокой теплопроводности материала — меди. Тепловая связь осуществляется по обмотке якоря через поверхности соединения петушков коллекторных пластин (шлицевого паза) с секциями обмотки. В связи с этим, представим тепловую связь коллектора с якорем как одномерное поле и для определения направления движения теплового потока между якорем и коллектором, а также для оценки его интенсивности воспользуемся значениями средних температур коллекторной меди и обмотки якоря: Q = (At 2-At[)ZS/6, (3.6) где А/ 2 — среднее превышение температуры коллекторной меди над температурой воздуха внутри машины; At K - среднее превышение температуры обмотки якоря над температурой воздуха внутри машины; А — теплопроводность материала обмотки якоря (меди); S — площадь поперечного сечения секций обмотки; 8 — расстояние между серединой коллекторной пластины и серединой секции якоря в аксиальном направлении.
Знак выражения (3.6) характеризует направление теплового потока. Знак «+» означает движение тепла от якоря к коллектору, знак «—» — от коллектора к якорю. Данная формула определяет тепловой баланс между якорем и коллектором, позволяя оперировать исходными данными -интенсивностью тепловых потоков якоря и коллектора через значения их средних температур.
В действительности тепловой поток между якорем и коллектором не является одномерным. Часть тепла отводится воздухом, омывающим якорь и коллектор, имеет место также тепловой поток от более нагретых частей к менее нагретым, то есть от медных пластин к стальным конусам в коллекторе и от обмотки к корпусу в якоре. Наличие этих видов теплообмена косвенно учитывается при определении средних температур меди якоря и коллектора, в выражения которых включены тепловые потоки, отводимые в воздух, и контактирующие детали.
Анализ теплового состояния коллектора в условиях его эксплуатации
На рис.4.7 представлены зависимости суммарного времени запаздывания и затухания колебаний системы от вылета резца для различных размеров державок резца. Можно сделать вывод, что период колебания силы резания и время затухания колебаний системы лежат в очень близких пределах.
После преобразования выражения (4.14) с учетом формул (4.15) и (4.16) получим зависимость для определения скорости резания, м/мин, при которой возможно появление автоколебаний,. Для увеличения производительности в формуле 4.16 изменим условие снижения амплитуды вибраций с 10 на 5: Зависимость суммарного времени запаздывания и времени затухания (с) от вылета резца (м) для различных размеров державок Н х В (м) Величина скорости резания, вычисленная по формуле (4.19) характеризует пороговое значение скорости резания, при превышении которого может возникнуть автоколебательный процесс. Номограммы для определения максимально допустимой скорости резания, м/мин в зависимости от толщины коллекторной пластины, мм
На рис. 4.8 представлены номограммы пороговой скорости резания, соответствующей 4 критерию, в зависимости от толщины коллекторной пластины для различных размеров державки резца и вылета инструмента. Изменение сечения державки в данном интервале вылетов инструмента практически не оказывает влияния на величину пороговой скорости резания, которая существенно зависит только от толщины коллекторной пластины.
Проведенные исследования соблюдения критериев виброустойчивости токарного резца позволяют обоснованно назначать технологические режимы.
Обоснование выбора режимов чистовой прерывистой токарной обработки якоря в сборе с учетом критерия виброустойчивости
Операция чистового точения контактной поверхности коллектора производится на якоре в сборе. Данная операция обеспечивает совмещение конструкторской и технологической баз, устраняя погрешности предварительного точения и повышая точность обработки за счет исключения погрешности базирования. Однако в процессе выполнения операции возникает проблема, связанная с вибрациями технологической системы. Собранный якорь электродвигателя имеет достаточно большой вес и габариты. В связи с этим важной задачей является обеспечение допустимых значений амплитуды и частоты в процессе выполнения операции.
В процессе точения в связи с периодическим изменением силы резания на якорь действует гармоническое возбуждение. Гармоническую возбуждающую силу можно представить следующим образом: P(t) = P0cost, (4.20) где Р0 - возмущающая сила, Н; t — время, с; со - угловая частота изменения нагрузки.
В связи с малыми значениями изменения геометрического положения оси якоря под действием приложенных сил будем считать линейными. По этим же причинам не будем учитывать трение.
Поведение линейной системы без трения при гармонической возбуждающей силе описывается уравнением движения [13] х + р2х = (Р0 / m)cos t, (4.21) где х - перемещение под действием приложенной силы, м; р — частота собственных колебаний системы, Гц; т — масса системы, кг.
Решением этого уравнения является выражение, представляющее собой сумму колебаний с частотами р и со. Слагаемые, изменяющиеся с частотой собственных колебаний, зависят от начальных условий. Однако в реальных системах свободные колебания с частотой р со временем затухают и через некоторое время устанавливаются не зависящие от начальных условий стационарные колебания с частотой возмущения со. Решение уравнения (4.21), отвечающее таким стационарным колебаниям, можно представить в виде [13] х = ,4COSG)/\ (4.22) где А - амплитуда колебаний, м.
Подставляя выражение (4.22) в уравнение (4.21), получим -co2 cosco + p2Acos(Dt - (Р() Im)cosc»t, (4.23) откуда амплитуда вынужденных колебаний А = (Р0 /т(р2 - со2))-ЛР, (4-24 где А0= Р0/(тр2) = Р0/с - равновесная амплитуда, равная статической деформации упругой связи амплитудной силой PQ; Р = (1-со2//?") — коэффициент усиления колебаний в связи с инерционностью системы (коэффициент динамичности).
Коэффициент Р зависит от отношения частоты изменения возмущающей силы к частоте собственных колебаний системы. При частоте возмущения, равной частоте собственных колебаний системы, амплитуда вынужденных колебаний стремится к бесконечности. Это объясняется тем, что если колебания происходят с собственной частотой, то силы упругости уравновешиваются силами инерции при любом значении амплитуды колебаний. Внешняя возмущающая сила оказывается неуравновешенной. Колебания при резонансе не являются гармоническими, а размахи их растут пропорционально времени. В реальной системе наличие потерь и проявление нелинейности при достаточно больших размахах колебаний приводит к ограничению амплитуды. Тем не менее, коэффициент динамичности при резонансе оказывается настолько большим, что работа при режимах, близких к резонансному недопустима.
Чтобы определить амплитуду вынужденных колебаний якоря в соответствие с выражением (4.24) необходима информация о частоте вынуждающей силы и собственной частоте якоря. Частота возмущающей силы известна (выражение (4.6)) и зависит от конструктивных параметров коллектора (количества коллекторных пластин) и частоты вращения. Собственная частота якоря неизвестна, поэтому рассмотрим методику ее определения.
Обоснование выбора режимов чистовой прерывистой токарной обработки якоря в сборе с учетом критерия виброустойчивости
Длина контакта стружки с инструментом увеличивается с увеличением сечения среза, однако уменьшается при увеличении скорости резания, так как возрастает критерий Пекле и увеличивает тангенс угла наклона условной плоскости сдвига. Длина-контакта стружки с инструментом уменьшается и при определенном значении скорости стабилизируется. Меньшие значения длины контакта уменьшают износ инструмента.
Проведенный анализ свидетельствует об уменьшении сил, действующих по передней поверхности инструмента и коэффициента трения при увеличении скорости резания, что объясняет экспериментально выявленное снижение поперечной усадки стружки и теоретически подтверждает адекватность полученных экспериментальных зависимостей.
Однако существенным недостатком экспериментальных моделей является ограничение их универсальности с точки зрения используемых условий резания. Экспериментальные зависимости получены для одной определенной величины переднего угла у = 10. Известно, что величина переднего угла оказывает весьма существенное влияние на процессы стружкообразования. Поэтому полученные зависимости нельзя считать адекватными при других значениях переднего угла. Следовательно, необходимо провести дополнительные теоретические исследования для повышения универсальности полученных моделей.
Исследования в области определения величины усадки стружки до настоящего времени носили в основном экспериментальный характер. Универсальных теоретических моделей достаточно мало. Одной из них является модель Силина, использующая критериальные уравнения. Однако, данная модель оказалась не адекватна для условий точения меди, так как ориентирована на точение сталей и большие сечения среза. В 2008 году в журнале «Технология машиностроения» опубликована серия статей (12 публикаций) [31] профессоров МГУПИ под руководством Воронцова А.Л., в которых представлена новая математическая теория резания. Данная математическая теория впервые разработана специалистами по механике деформируемого твердого тела и теории пластичности, основана на изучении объемного напряженно-деформированного состояния и является универсальной с точки зрения обрабатываемых материалов и технологических условий резания.
В данной теории [31] получено следующее выражение для теоретического определения поперечной усадки стружки без учета деформационного и скоростного упрочнения и теплового разупрочнения где и — коэффициент, зависящий от величины переднего угла у: при у 0 и = 1, при у 0 и = 1 - siny; ц — коэффициент трения на передней поверхности резца.
Из выражения видно, что усадка стружки является функцией двух переменных: коэффициента трения и переднего угла резца. В данной методике нет теоретических выражений для определения коэффициента трения, поэтому рекомендуется принимать для расчетов его усредненную величину (д. = 0,5. При данном значении коэффициента трения и постоянном ) переднем угле усадка стружки является константой и не зависит от t технологических режимов. При значении переднего угла у = 10, используемого при проведении экспериментов, кс = 2,414. Тем не менее, проведенный эксперимент показал, что усадка стружки является функцией ? режимов резания при постоянном переднем угле. Выражения (6.63)-(6.65) и рис.6.22 свидетельствуют, что коэффициент трения также является функцией режимов резания. Если использовать в выражении (6.51), коэффициент трения не являющийся константой, а изменяющийся в зависимости от технологических режимов, то усадка стружки, также будет являться функцией режимов резания. В табл. 6.17 представлены результаты сравнения значений поперечной усадки стружки, полученных по экспериментальной і зависимости (6.34) и теоретической формуле (6.51) с учетом переменного коэффициента трения, полученного по выражениям (6.47)-(6.50) с учетом экспериментального угла сдвига. „ Результаты показывают, что» экспериментальные и теоретические значения имеют достаточно хорошую сходимость, большинство лежит в ц пределах 5%, среднее значение - 7%. Однако, имеется ряд значений, расхождение которых превышает 10%. В таблицу не случайно включена ( температура резания. При температуре резания до 300С расхождение \ теоретических и экспериментальных значений не превышает 5%, при этом в і некоторых случаях теоретические значения превышают экспериментальные, І а в некоторых случаях наоборот. Данные отклонения лежат в пределах точности экспериментальных и теоретических моделей. При температуре I резания более 300С наблюдаются наибольшие значения расхождения, 1 превышающие 10%. При этом прослеживается четкая зависимость: все ! экспериментальные значения меньше теоретических. Такой результат не , случайный. Теоретическая зависимость получена без учета температурного разупрочнения. С увеличением температуры резания свыше 300С температурное разупрочнение проявляет себя существенным образом, о чем свидетельствует экспериментально полученное уменьшение поперечной усадки.
Можно сделать вывод, что теоретическая зависимость (6.67) дает хорошее подтверждение экспериментально полученным данным, но не учитывает температурного разупрочнения. При этом основным ее достоинством является универсальность с точки зрения возможности широкого варьирования значений переднего угла. Для повышения универсальности экспериментальной модели (6.34) видоизменим ее с учетом теоретической (6.51) следующим образом
