Содержание к диссертации
Введение
1 Классификация способов передачи мощности и постановка задачи исследований 13
1.1 Перспективы развития уборочных машин 13
1.2 Влияние скоростных режимов работы шпинделя на его захватывающую способность 17
1.3 Влияние коэффициента опережения шпиндельных барабанов на технологический процесс сбора хлопка 20
1.4 Обоснование коэффициента опережения шпиндельных барабанов с учетом агропоказателей хлопкоуборочной машины 24
1.5 Обзор исследований привода рабочих органов хлопкоуборочных машин 26
1.6 Анализ различных систем привода рабочих органов хлопкоуборочной машины 32
1.7 Анализ методов исследования надежности работы сложных систем применительно к уборочным машинам 46
1.8 Постановка задачи исследований 57
Выводы по 1 главе 59
2 Разработка и экспериментальные исследования регулируемого привода уборочного аппарата 60
2.1 Система управления режимами работы уборочного аппарата 60
2.2 Обоснование электромеханических параметров привода 62
2.2.1 Разработка принципиальной электрической схемы 62
2.2.2 Выбор параметров электрооборудования 65
2.3 Методика проведения экспериментальных исследований 70
2.4 Разработка стенда 74
2.5 Разработка силовой и измерительной схемы стенда 79
2.6 Лабораторные исследования 82
2.7 Разработка макетного образца хлопкоуборочной машины с регулируемым приводом рабочих органов 88
2.8 Полевые исследования 94
Выводы по 2 главе 100
3 Теоретические исследования экспериментальных характеристик агропоказателей при различных режимах работы уборочных машин 101
3.1 Анализ методов моделирования скоростных параметров уборочного аппарата 101
3.2 Выбор и обоснование методы моделирования 103
3.3 Алгоритм получения интерполяционных моделей 105
3.4 Формирование уровней общего вида исследуемых поверхностей технологического процесса 108
3.5 Методика исследований характеристики уборочного аппарата 113
3.6 Исследование агротехнических показателей уборочных машин 117
3.7 Определение экстремума коэффициента опережения шпиндельных барабанов для различных условий работы 121
3.7.1 Анализ работы уборочного аппарата по критерию опадения хлопка на землю 121
3.7.2 Анализ работы уборочного аппарата по критерию засоренности и оставления на кустах хлопка-сырца 123
Выводы по 3 главе 129
4 Теория оценки надежности технологического процесса уборки с учетом вероятностного состояния элементов конструкции 130
4.1 Модернизация элементов уборочных машин и определение параметров их надежности 130
4.2 Исследование структуры уборочных машин и формирование ее модели 133
4.3 Исследование структурно-функциональных моделей 138
4.3.1 Классификация элементов системы, принятые допущения 138
4.3.2 Методика формирования структурных схем и аналитических моделей 143
4.4 Оценка надежности технологического процесса работы рабочих органов уборочных машин 144
Выводы по 4 главе 159
5 Разработка методов повышения надежности технологического процесса уборки в период эксплуатации уборочных машин 160
5.1 Задачи и методы вибродиагностики в обкатке и испытании 160
5.2 Анализ факторов, влияющих на качество работы механической системы 164
5.3 Информационные свойства изменения вибрации в процессе обкатки и испытания машин 167
5.4 Измерение вибрации 168
5.5 Область использования прибора для определения остаточного ресурса подвижных сопряжений 170
5.6 Тарировочные исследования прибора 179
5.7 Повышение технологической надежности уборочных машин на стадии их эксплуатации за счет восстановления физико-механических свойств изношенных деталей 186
5.8 Накатка поверхностей сложного профиля 189
5.9 Проведение лабораторных и тарировочных исследований 198
Выводы по 5 главе 204
6 Экономическая эффективность новой системы регулирования привода уборочного аппарата хлопкоуборочной машины 205
6.1 Расчет экономической эффективности от повышения технологической надежности хлопкоуборочных машин 205
6.2 Расчет экономической эффективности от повышения технологической надежности кормоуборочных машин 217
Общие выводы и рекомендации 223
Литература 226
Приложения 247
Приложение А Таблицы 248
Приложение Б Программа для ЭВМ 254
Приложение В Акты 262
Приложение Г Патенты, изобретения 272
- Обзор исследований привода рабочих органов хлопкоуборочных машин
- Разработка макетного образца хлопкоуборочной машины с регулируемым приводом рабочих органов
- Исследование структуры уборочных машин и формирование ее модели
- Накатка поверхностей сложного профиля
Обзор исследований привода рабочих органов хлопкоуборочных машин
В соответствии с принятой конструктивной и технологической схемой хлопкоуборочной машины для транспортировки хлопка используется пневмо-система, включающая вентиляторы и их привод. Технологический процесс уборки хлопка во многом зависит от состояния привода вентиляторов и аэродинамических параметров пневмотранспорта. Если первое зависит от надежной работы деталей и узлов привода, то второе в основном определяется правильной конструктивной проработкой узлов и деталей вентилятора и пневмосисте-мы в целом.
Решению этой задачи посвящена работа В.Н.Горна САИМЭ. Он провел исследования с целью совершенствования конструкции приемной камеры и оптимизации ее параметров, повышающих надежность работы системы пневмотранспорта.
Установлено, что надежность системы пневмотранспорта повышается при увеличении частоты вращения крыльчаток вентиляторов. С повышением ее с 1700 до 2050 мин"1 производительность вентиляторов возрастает с 2,1 до 2,5м /мин. Давление в сети повышается до 2,3-2,4 КПа.
Предлагается для применения в машинах с нагнетательной системой экономичную схему пневмотранспорта с повернутым вентилятором. Использование ее с установкой предлагаемых выше улучшенных приемных камер наряду со снижением энергоемкости на 21-23% и повышением надежности позволит улучшить общую компоновочную схему машины [20].
На основании приведенных исследований установлена эффективность предложенных усовершенствований, улучшение конструкции системы пневмотранспорта. Полнота сбора увеличилась на 2-3% . Потери урожая на землю снизились на 3-4%. Усовершенствованная компоновочная схема может быть рекомендована к применению при дальнейших конструкторских разработках новой уборочной техники с использованием нагнетательного воздушного потока [20].
Повышение надежности работы системы пневматранспорта за счет увеличения оборотов вентилятора приводит к снижению КПД, что является нежелательным. Для улучшения компоновки системы пневмотранспорта и снижения аэродинамического сопротивления необходимо вентилятор приблизить к зоне приемной камеры. Это позволит уменьшить длину привода вентилятора и упростить конструкцию.
Важные исследования по определению надежности узлов и агрегатов хлопкоуборочной машины приведены [199]. Они провели широкие испытания на надежность 14 новых хлопкоуборочных машин ХНП-1,8. Средняя наработка на одну машину составила 158 часа. Результаты исследований в условиях реальной эксплуатации показали, что общее количество отказов составило 164, в том числе по трем группам сложности - соответственно 25; 136 и 3.
Анализ статистической информации показывает, что распределение значений наработки между отказами удовлетворительно описывается экспоненциальным законом. Проверка гипотезы о сходимости теоретических и эмпирических распределений доказана методом с вероятностью 0,90. Исходя из условия стационарности потока отказов, определена зависимость вероятности безотказной работы. Она приводится на рисунке 1.4, где видно, что в течение 10 часов работы парка машин почти половина из них отказывает. Это говорит об их низкой надежности.
Было установлено, что уже на первом году эксплуатации 10% отказов являются постепенными (износовыми), что свидетельствует о наличии в конструкции машины деталей с ограниченным ресурсом и о недостаточной равнопрочное элементов машины.
Интересные результаты получены в исследованиях, проведенных Игам-бердыевым И.Х. и др. На Среднеазиатской машиноиспытательной станции и на полях опытного совхоза им Пятилетия УзССР Галабинского района и им Калинина Янгиюльского района Ташкентской области проходили ресурсные испытания хлопкоуборочных машин марок ХВБ-1,8; ХН-3,6; 14ХВ-2,4А.
Проведением ресурсных испытаний уборочных машин согласно ОСТам и ГОСТам предусматривалось решение таких задач, как определение ресурса серийно выпускаемых уборочных машин до первого ремонта межремонтный срок эксплуатации, долговечности узлов, отдельных деталей и машины в целом, обоснование рекомендаций к разработке нормативов по расходу запасных частей, определение денежных затрат на ремонт уборочных машин, для чего необходимо было собирать, обрабатывать и анализировать информацию о работе в хозяйственных условиях, а также использовать данные, полученные в результате наблюдений за эксплуатацией ряда уборочных машин в хлопкосеющих хозяйствах зоны, кроме того, анализировать сведения, имеющиеся на предприятиях, специализирующихся на ремонте хлопкоуборочных машин [86].
Общая наработка уборочных машин, количество зафиксированных отказов за период ресурсных испытаний, продолжительность и трудоемкость их устранения приведены в таблице 1.1, из которой видно, что гамма-процентный ресурс элементов системы пневмотранспорта не обеспечивает нормальную работу.
Исследование надежности узлов и агрегатов хлопкоуборочных машин в период между их ремонтами проведены авторами [197]. В мастерских Букин-ской райсельхозтехники Ташкентской области было отремонтировано 14 хлопкоуборочных машин ХНП-1,8 в соответствии с техническими требования на ремонт, разработанными СредазГОСНИТИ.
Результаты наблюдений показали, что общее количество отказов с ростом наработки возрастает, главным образом, за счет отказов 2-ой и 3-ей групп сложности. При этом в первый год эксплуатации среднее количество отказов, приходящихся на отремонтированные машины на 30% больше, чем отказов приходящихся на новые, а во второй год эксплуатации - на 64%.
Исследования показали, что элементы рабочих органов уборочных машин имеют низкие характеристики долговечности.
Подавляющее большинство отказов вызваны несовершенством конструкции составных частей хлопкоуборочных машин. Затраты на устранение последствий одного отказа 1-й, 2-й, 3-й групп сложности составляют соответственно 4, 8, 24 чел.ч. [9].
Из изложенного следует необходимость тщательной и правильной проработки вопроса на этапе проектирования с целью обоснованного выбора принципиально новых решений и разработок узлов системы пневмотранспорта хлопкоуборочной машины.
На основе анализа рассмотренных работ была выдвинута гипотеза о возможности повышения полноты сбора хлопкоуборочной машины с применением гибкой системы плавного регулирования частоты вращения шпиндельных барабанов уборочного аппарата, позволяющих в зависимости от характеристик агрофона поля плавно изменять их коэффициент К, рациональные параметры которых определяются с учетом энергетических характеристик системы, агротехнических показателей и характеристик агрофона поля.
На кормоуборочных машинах решение задачи повышения качества технологического процесса, повышения производительности и уменьшения расхода топлива предполагалось путем варьирования поступательной скорости движения кормоуборочного комбайна и регулирования скоростных параметров рабочих органов этих машин.
Рассмотрены различные возможные варианты механических, электрических и гидравлических систем регулирования скоростных параметров уборочных машин. Построенные нами классификации различных приводов рабочих органов уборочных машин приведены на рисунке 1.5 для хлопкоуборочных машин и на рисунке 1.6 для кормоуборочных машин.
Разработка макетного образца хлопкоуборочной машины с регулируемым приводом рабочих органов
Полевая установка разработана на базе хлопкоуборочной машины ХВБ-1,8 с модернизированной трансмиссией. Привод уборочного аппарата осуществляется от двух двигателей. Левая половина аппарата приводится от асинхронного двигателя, правая - от двигателя постоянного тока с последовательным возбуждением [6, 7].
На рисунках 2.12 и 2.13 дается общий вид полевой установки с электрическим приводом уборочных аппаратов.
Конструкция установки и крепление двигателей привода на макетном образце хлопкоуборочной машины аналогична установке электродвигателей на стенде.
Наличие двух электродвигателей привода уборочного аппарата позволит произвести сравнение эффективности работы регулируемой и нерегулируемой половины уборочного аппарата. В качестве источника энергии выбран синхронный генератор марки ЕСС-5-82-4УМ-101 мощностью 30 кВт с частотой вращения 25 с"1.
Привод генератора осуществляется от вала отбора мощности трактора через повышающий редуктор с передаточным отношением I - 2 и клиноремен-ную передачу с отношением 1-1,5.
На ведущем валу нарезаны шлицы, при помощи которых он насаживается на вал отбора мощности и болтами крепится к задней стенке трансмиссии. На ведомом валу редуктора привода генератора напрессован четырехручейный шкив, связанный с помощью клиновых ремней со шкивом, насаженным на вал генератора. Ремни натягиваются поворотом редуктора привода генератора вокруг своей оси, для чего предусмотрены регулировочные отверстия на корпус редуктора.
Недостатком ВОМа трактора хлопковой модификации Т28Х4 является малая частота вращения. Кроме того, при выключении муфты сцепления, отключается ВОМ, что отрицательно влияет на работу электропривода в целом.
Для устранения этого недостатка вместе с КБ трансмиссии Ташкентского тракторного завода разработана конструкция независимого привода вала отбора мощности [7, 6]. Кинематическая схема трансмиссии трактора хлопковой модификации Т28Х4М с электрическим способом отбора мощности приведена на рисунке 2.14.
Преимуществом разработанной системы привода ВОМа является, что при включении и отключении муфты сцепления обороты генератора постоянны.
При работе двигателя крутящий момент от коленчатого вала двигателя (поз.1) через корпус муфты сцепления (поз.2), связанного шлицевым соединением с трубчатым валом (поз.З), передается на вал отбора мощности от ведущих шестерен (поз.4) трубчатого вала (Zj =21, Z2= 15) к ведомым 5 (Z3 = 42, Z4=54). Введя в зацепление шестерни Z( и Z3 или Z2 и Z4, получаем необходимую частоту вращения ВОМа, соответственно п=8,8 с"1 и п=16,6 с"1
На рисунке 2.15 приведена электрическая схема полевой установки хлопкоуборочной машины с измерительной и регистрирующей аппаратурой.
Для регистрации частотных и электрических характеристик привода уборочных аппаратов установлена последовательность подключения гальванометров и датчиков замера частоты вращения исполнительных органов. Регистрация электрических характеристик возбуждения, силовой цепи и цепи двигателя производилась сразу через гальванометры. Регистрация же частотных характеристик осуществлялась при помощи магнита, установленного на вращающуюся часть исследуемого объекта, и неподвижно установленной катушки, с которой снимаются показания. Работа схемы заключается в следующем. Включая вал отбора мощности через ременную передачу, начинаем вращать генератор. Датчики, установленные на шкиве его и ВОМа дают возможность определить и сравнить частоту вращения обоих валов, и соответственно -скольжение ременной передачи. После достижения номинальной частоты вращения ротора генератора кнопкой К (рисунке 2.15) через контактные кольца кратковременной подачей тока от аккумуляторной батареи АБ возбуждается генератор. Индуктированный в обмотках его ток через блок компаундирующих трансформаторов и сопротивлений БКТС, блок выпрямления KB частично поступает на обмотку возбуждения, устанавливая режим самовозбуждения генератора. Гальванометры d\ и сіг, включенные последовательно в цепь через шунт Ш1 и между полюсами - через сопротивление R.2, позволяют контролировать систему возбуждения генератора в различных режимах работы.
Напряжение и сила тока цепи генератора регистрировались гальванометрами d3, d4, встроенными через шунт Ш2 и сопротивление R2. Вспомогательные элементы измерения для гальванометров, регистрирующих работу системы возбуждения и силовой цепи генератора, устанавливаются в шкаф управления.
Регистрация скорости передвижения полевой установки осуществляется при помощи магнита, установленного на колесе и катушки - на кронштейне. Ток, индуцированный в катушке, при прохождении над ней магнита передается на гальванометр. При синхронной записи сигналов с катушки и отметок времени можно судить об изменении скорости движения машины.
Для оценки работы привода уборочного аппарата напряжение и ток силовой цепи асинхронного двигателя регистрировался гальванометрами ds и d6 при помощи сопротивления R3 и шунта ШЗ. Аналогичные характеристики двигателя постоянного тока регистрировались при помощи гальванометров dg и d9, сопротивления R4 и шунта Ш4. частота вращения асинхронного двигателя ДА1 и двигателя постоянного тока ДА2 - при помощи гальванометров d7 и d10, катушек К1 и К2.
Управление двигателем постоянного тока привода правой половины уборочного аппарата содержит блоки; выпрямления БВ, регулирования БР и фильтров БФ.
Напряжение силовой цепи при работе синхронного генератора поступает на двухполупериодный шестидиодный выпрямительный мост. Напряжение, выпрямленное в блоке выпрямления, регулируется тиристором ДТ1 путем изменения угла его открытия. Для уменьшения тока тиристора ДТ1 в схему параллельно включен тиристор ДТ2, который управляет тиристором ДТ1, тиристор ДТ2 в свою очередь управляется малогабаритным реостатом R5. Для поглощения самоиндукции обмоток двигателя постоянного тока и сглаживания пульсации тока устанавливается блок фильтров БФ, состоящий из конденсаторов С1 и С2.
Управление и контроль за работой привода уборочного аппарата осуществляется с места механика-водителя. Осциллографирование электромеханических характеристик осуществлялось осциллографом 4 типа НОЮМ с тензомет-рической площадки 3 с помощью пультов управления нерегулируемым приводом 1 уборочного аппарата и регулируемым 2.
Исследование структуры уборочных машин и формирование ее модели
При заданном в соответствии с ТЗ уровне надежности УМ необходимо произвести рациональное распределение по узлам и элементам системы, чтобы обеспечить нормальное его функционирование. Существуют различные методы оценки параметров надежности деталей узлов уборочных машин [100]. Однако, они имеют следующий недостаток: в расчетных схемах не учитывают свойства структуры системы. К ним относятся: взаимная связь элементов, узлов. Связи в этих случаях могут быть различные. Поэтому необходимо и целесообразно при анализе надежности учитывать эти необходимости. Для решения этой задачи воспользуемся терминологией и теоремами теории графов [206].
Граф дает простое и наглядное представление системы и учитывает связи между элементами в данном случае конструктивные. Примем в данной постановке задачи следующие допущения. Первое - уборочные машины как система имеет конечное число элементов. Имеется ввиду, что количество этапов дробления системы тоже будет конечно. Система сначала разделяется на большие узлы, затем на более мелкие подузлы и так далее, пока в структурной схеме не появятся детали. Такой алгоритм дает возможность изучать свойства узлов, подузлов и деталей системы с учетом их конструктивных связей.
Второе - элементы системы должны иметь конструктивные и функциональные связи. Это значит, что детали уборочных машин связаны между собой функционально, т.е. имеют физические связи, оказывающие большое влияние на безотказность их работы.
Третье - вероятностно-статистические характеристики надежности элементов уборочных машин могут быть в допустимых пределах аппроксимированы стандартными функциями распределения, а их оценки несмещенные и состоятельные. Введем обозначения: ребра графа будут представлять детали, а вершины их конструктивные связи. Производя последовательное разложение системы на узлы, далее на подузлы, элементы и т.д. можно в логической последовательности описать структуру электрической машины.
Анализ структуры уборочных машин показывает, что очень важно на этапе проектирования знать конструктивные и функциональные свойства элементов, способы формирования узлов и подузлов, т.е. как детали конструктивно связаны между собой. Тогда станет возможным определить основные параметры структуры, дать полное описание системы.
В качестве параметров, определяющих качество конструкции машины, при выражении ее в виде графа можно принять реконструкции В.И. Нечипо-ренко [151]. Связность графа. Этот параметр обычно выявляет наличие обрывов или отсутствие необходимых связей, висящие вершины и некоторые другие пороки конструкции уборочных машин.
Ранг элемента. Он позволяет распределить элементы схемы в порядке их значимости. Значимость при этом характеризуется только количеством связей данного элемента с другими. Ранг элемента является существенным показателем, характеризующим конструктивные или функциональные связи. На основании этого параметра можно судить насколько детали функционально могут влиять друг на друга, а, следовательно, и определять их важность.
Множество сочленений - представляет собой параметр, указывающий, при удалении каких элементов она разрушается, т.е. она перестанет существовать как единое целое. Все эти три параметра позволяют производить анализ конструкции.
Вместе с тем тщательное изучение этого метода показывает, что при такой постановке не решается главная задача - каким образом можно повысить надежность элементов конструкции уборочных машин. Она решает задачи применительно к задачам выбора рациональной структуры. Конструкция уборочных машин формируется с учетом многих функциональных параметров. Поэтому очень важно в расчетной схеме предусмотреть методы, которые учитывали бы их. Конечно, при этом должны быть учтены такие важные критерии, как стоимость и параметры структуры; связность графа; ранг элемента и др.
Таким образом, если система задана структурой, то можно определить надежность узлов и элементов. В соответствии с принятыми допущениями будем считать, что задана вероятность безотказной работы системы (Р) и средняя наработка до отказа (Т). Выход из строя любого элемента или узла приводит к выводу из строя всей системы.
Введем понятие уровня значимости узла или детали уборочных машин. Под уровнем значимости элемента в структуре схемы необходимо понимать величину параметра, количественно оцениваемого числом связей, которые данный узел имеет с другими элементами и стоимостью [151].
Таким образом, его можно выразить функцией вида:
П = f(V; gi; mO, (4.1)
где п - уровень значимостиэлемента структуры;
V - глубина дробления элементной базы системы; gi - стоимость устранения отказа узла или детали; irij - количество конструктивных связей с другими узлами или деталями.
Надежность элемента характеризуется несколькими свойствами. Одним из них является то, что деталь становится более ответственной с увеличением числа конструктивных связей с другими деталями или с увеличением стоимости его отказа. В этом и другом случае требования к надежности возрастают. В конечном итоге интегральным показателем является его ранг. Исходя из этих условий будем считать, что надежность детали или узла структуры пропорциональна их стоимости. Они связаны между собой аналитическими зависимостями следующего вида: p(» .r( )=pa .r( ) (4 2)
Тогда для определения характеристик надежности деталей и узлов механических систем, находящихся на первом уровне дробления системы получим следующую систему уравнений: ро).г() =po).r(i) I , 1 2 I 2 1 , _ P -rl Pl"- (4.3)
Совместное решение этих уравнений позволяет определить надежность элементов для различных уровней дерева структуры электрической машины, что делает возможным распределить заданную в техническом задании надежность системы на элементы. Проведенный анализ точности данного метода показывает, что не во всех случаях он удовлетворяет необходимым требованиям. В определенных условиях, когда расчет производится по параметру надежности, вероятность безотказной работы элемента достигает величины, превышающей единицу, что дает основание сомневаться в точности данного метода. Исследование этих уравнений показывает, что одной из причин снижающих точность результатов является отсутствие ограничений определяемых параметров.
В результате анализа была установлена необходимость принятия дополнительных ограничений, которые позволяют получить адекватные оценки вероятности безотказной работы. Суть ее заключается в выборе такой функции ранга элемента системы, которая давала бы возможность ограничивать ее в заданных пределах при любых соотношениях числа связей и затрат на восстановление отказов электрической машины.
Рассмотрим общий случай, когда число связей элементов не равны и стоимость затрат на восстановление не одинаковы. Система состоит из (п+1) -элементов и т ресурс этой системы.
Пусть также нам известно значение Р = Р{Т т}, где Т - время безотказной работы системы. Нам надо найти значения Рк = Р{Тк т}, где к = 1;п, Тк -время безотказной работы k-го элемента из условия:
Введем для элементов системы понятие ранга. Он характеризует состояние элемента по нескольким критериям. С точки зрения структурно-функциональной теории для нас важно учесть количество связей в графе системы rrik (структурная часть) и стоимость элемента qk. Поэтому примем в качестве ранга элемента величину которая характеризуется следующими свойствами:
1 При неограниченном возрастании стоимости элемента его ранг и значит надежность все равно не может возрастать беспредельно, а может асимптотически приближается к единице.
2 При неограниченном возрастании числа конструктивных связей ранг и значит надежность стремится к 0. Тогда V - имеет смысл масштабного параметра, значение которого мы определим позднее для каждого уровня. Можно предполагать, что связь между Рк, RK может быть выражена функциями различных видов. В данном случае трудно установить вид конкретной функции. Поэтому, исходя их возможных условий будем считать, что Рк прямо пропорционально RK. Для определения Рк составим следующую систему уравнений и неравенства
Накатка поверхностей сложного профиля
Наружные и внутренние сферические поверхности обкатывают с помощью роликов двух основных типов: 1) с конфигурацией рабочих поверхностей, имеющей сферический или близкий к сферическому профиль с радиусом кривизны, соответствующим радиусу обрабатываемой сферы; 2) с обычной конфигурацией. При обработке роликами первого типа контакт инструмента происходит по всей или по значительной части образующей обрабатываемой поверхности, т.е. они работают «на врезание». При обработке роликами второго типа контакт инструмента с обрабатываемой поверхностью имеет локальный характер и вся обрабатываемая сферическая поверхность последовательно обходится одним или несколькими роликами.
Применение роликов первого типа требует приложения больших сил накатывания, которые в десятки раз превышают силы накатывания обычными роликами, производительность обработки также значительно увеличивается.
Для создания симметричной нагрузки на сферическую поверхность применяют схему, при которой деталь обрабатывают двумя противоположно расположенными синхронно вращающимися роликами, установленными так, что оси симметрии их вогнутых рабочих поверхностей параллельны друг другу и составляют с осью вращения роликов такой угол, при котором достигается расположение точек контакта роликов с обрабатываемой деталью на одной прямой с центром. Ролики вращаются синхронно без продольных перемещений. В процессе обкатывания точки контакта перемещаются по образующей обрабатываемой поверхности.
В случае обкатывания сфер, имеющих значительную эллипсность, ролики в процессе качения по образующей (самоподача) и направляющей (обкатывание) копируют макрогеометрию поверхности. Одновременно дифференциальный нагружающий механизм уравнивает силу на роликах.
При обработке материалов невысокой твердости профиль рабочей поверхности деформирующих роликов выполняют по дуге окружности, радиус которой больше радиуса сферы на 1...3 мм. При обработке закаленных сталей лучшие результаты достигаются с помощью роликов, профиль которых образован дугами двух окружностей: радиус одной из них равен радиусу обработанной сферы, а радиус другой — несколько больше.
Исходя из вышеизложенного, для проведения пластического деформирования поверхности пружин предлагается использовать механическую накатку основным рабочим органом, которым будет являться накаточный ролик с рабочим профилем, соответствующим диаметру пружины проволоки. Для обеспечения необходимой твердости ролик должен изготавливаться из сталей типа ШХ-15 с последующей терма обработкой до HRC 55-60.
Корпус самой роликовой накатки должен обеспечивать надежную фиксацию ее в суппорте токарного станка.
Для разработки конструкции накатки необходимо определить основные параметры работы накатки. К ним относятся: пределы развиваемого давления ролика на поверхность пружины, число проходов, скорость вращения шпинделя станка, подача суппорта станка.
Твердость поверхности при обкатывании повышается для всех металлов, и чем выше прочность обрабатываемого материала, тем больше оптимальное давление обкатывания. Твердость значительно повышается до глубины 2 мм. Число рабочих ходов и скорость обкатывания несущественно влияют на поверхностную твердость.
Стали с мартенсито-аустенитной структурой (НКС 53—65) при обкатывании заметно упрочняются уже при давлении 1500— 1800 МПа, а максимальной твердости достигают при давлении 2700—3000 МПа. При дальнейшем повышении давления твердость не повышается, а вследствие переклепа может снижаться.
Наибольшее увеличение твердости происходит у материалов со структурой мартенсита, не подвергшихся отпуску. При этом поверхностная твердость, например сталей У8, ШХ15, 40Х, увеличивается от 15 % (ШХ15) до 25 % (У8) по отношению к исходной.
Из закаленных и отпущенных сталей наиболее склонны к упрочнению также стали со структурой мартенсита. У сталей со структурой троостита, троо-стосорбита и сорбита твердость увеличивается меньше. Однако эффективность упрочнения структуры троостита у стали У8 также несколько выше по сравнению с эффективностью структуры троостита у стали ШХ15.
Результаты упрочнения материалов со структурой троостита близки к результатам упрочнения стали ШХ15. Еще меньшее упрочнение происходит у стали 40Х со структурой троостосорбита. Оптимальное давление, при котором достигается максимальная твердость, для структур троостита и сорбита 2100—2300 МПа, т. е. ниже, чем для мартенситных структур. Подача 0,6—0,2 мм/об несущественно влияет на поверхностную твердость, однако при подачах более 0,2 мм/об, а особенно более 0,3 мм/об твердость быстро снижается, так как для эффективного упрочнения кратность приложения силы становится недостаточной.
Остаточные напряжения в поверхностном слое зависят от давления, подачи, скорости, размеров инструмента, числа рабочих ходов, структуры и свойств обрабатываемого материала. По мере повышения давления от минимального 1400 МПа, до предельного значения возрастают абсолютное значение и глубина «залегания» тангенциальных остаточных напряжений, т. е. напряжений, направленных по окружности обрабатываемой поверхности. Осевые остаточные напряжения больше тангенциальных. С увеличением диаметра ролика глубина «залегания» напряжений возрастает, а их градиент и абсолютные значения уменьшаются. Подача и число рабочих ходов инструмента при оптимальных режимах обработки практически не значительно влияют на уровень остаточных напряжений. Однако увеличение подачи до значения большего, чем допустимое, резко уменьшает остаточные напряжения и глубину их «залегания», причем для более прочных сталей это проявляется в большей степени. Если сила обкатывания меньше оптимальной, то с увеличением числа рабочих ходов инструмента до трех-четырех остаточные напряжения возрастают до значений, соответствующих оптимальной силе обработки при одном рабочем ходе инструмента.
Увеличение скорости обкатывания до 40-50 м/мин не влияет на значения остаточных напряжений, более высокие скорости изменяют напряженное состояние поверхностного слоя. Так, при скорости 3,5 м/мин для стали 45 возникают напряжения сжатия с максимальным значением у поверхности около 400 МПа, а при скорости 186 м/мин их значение у поверхности снижалось до 250 МПа, а максимум сдвигался в глубину и составлял около 320 МПа.
Из зависимости поверхностной твердости от усилия Р обкатывания роликом накатки следует, что твердость НУ с возрастанием Р увеличивается: для стали 12Х18Н9Т с исходной 181 до 342. Наибольшая крутизна кривых зависимости НУ от Р наблюдается у стали 12Х18Н9Т и сплава ХН67ВМТЮ [156].
Различие в степени пластической деформации приводит к неравномерности изменения объема различных слоев металла, обрабатываемой детали. Это и является причиной возникновения остаточных напряжений при обработке способом поверхностного пластического деформирования (ППД).
Поверхностные слои металла при ППД, расширяясь, стремятся занять увеличенный объем. Но этому мешают нижележащие слои, подверженные только упругой деформации. После пластической деформации поверхностные слои металла частично удлиняются. Это приводит к растягиванию нижележащих слоев металла. Однако в силу плотности материала удлинение этих слоев происходит не значительно. В результате описанного взаимодействия в поверхностном наклепанном слое создаются сжимающие напряжения. Исследованиями установлено, что в поверхностных слоях металлов, обработанных ППД возникают три вида напряжений: осевые напряжения сжатия, направленные вдоль оси образца; тангенциальные напряжения сжатия в плоскости, перпендикулярной к оси; незначительные радиальные растягивающие напряжения, равные у поверхности нулю. Сжимающие (осевые и тангенциальные) остаточные напряжения уменьшаются по мере удаления от обработанной ППД поверхности, переходя на некоторой глубине в растягивающие. Однако вследствие малой толщины поверхностного сжатого слоя и взаимного уравновешивания внутренних сил сжимающие напряжения значительно превосходят по абсолютной величине и перекрывают отрицательное влияние внутренних растягивающих напряжений. Глубина распространения сжимающих остаточных напряжений при обработке ППД значительно превышает глубину распространения наклепа по твердости. С возрастанием максимальных сжимающих напряжений у поверхности глубина их действия уменьшается, т. е. градиент изменения остаточных сжимающих напряжений по сечению детали увеличивается [200].
