Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса и задачи исследований 18
1.1. Современные организационные, технические и экономические аспекты состояния сельскохозяйственной техники в России 18
1.2. Технологические и точностные методы обеспечения дол говечно-сти и безотказности, деталей,-сборочных единиц и агрегатов при ремонте.сельскохозяйственной техники 25
1.2.1. Анализ методов выбора рациональных способов восстановления элементов деталей ... 25
1.2.2. Особенности нормирования трчности деталей и соединений при ремонте сельскохозяйственной техники 29
1.3. Анализ существующих методов расчета точности геометрических параметров 33
1.3.1. Исторические аспекты развития теорий точности и взаимозаменяемости 33
1.3.1.1. Общая история развития 33
1.3.1.2. Развитие методологии взаимозаменяемости при ремонте сельскохозяйственной техники. 35
1.3.2. Методология решения задач по учению о точности 37
1.3.3; Принципы выбора допусков и посадок 39
1.3.4. Анализ методов расчета точности геометрических параметров подвижных соединений* 46
1.3.4.1. Классификация и эксплуатационные показатели работы -подвижных соединений 46
1.3.4.2. Методы расчета 49
1.3.4.3. Способы повышения долговечности подвижных соединений с помощью корректировки точности геометрических параметров... 52
1.3.5. Анализ существующих методов расчета точности
геометрических параметров неподвижных соединений 54
1.3.5.1. Классификация неподвижных соединений 54
1.3.5.2. Анализ методов расчета и выбора посадок с натягом. 56
1.3.5.3. Методика расчета длительной прочности соединений с натягом... 64
1.3.5.4. Характеристика и расчет неподвижных соединений, имеющих посадки с зазором или переходные 65
1.3.6. Анализ методов расчета точности геометрических параметров соединений колец подшипников качения 67
1.3.6.1. Особенности нормирования точности колец подшипников качения и сопрягаемых с ними поверхностей 67
1.3.6.2. Анализ методов расчета и выбора посадок циркуляционно-нагруженных колец подшипников качения 70
1.3.6.3. Анализ методов расчета и выбора посадок местно-нагруженных колец подшипников качения 73
1.3.6.4. Анализ методов расчета и выбора посадок колебательно-нагруженных колец подшипников качения 74
1.4. Выводы, цели и задачи исследований 76
Глава 2: Теоретические исследования в области расчета точностных параметров соединений 81
2.1. Совершенствование теории точности изготовления и восстановления элементов соединений 81
2.1.1. Применение теории надежности для определения точностных параметров соединения и его элементов 81
2.1.1.1. Модели отказов машин 81
2.1.1.2. Определение конструктивного допуска посадки теоретико-вероятностным методом расчета с учетом долговечности и ВБР
при отказе по одному пределу 85
2.1.1.3. Функции процесса старения. Относительная стойкость соединения и конструктивный допуск посадки 88
2.1.1.4. Определение конструктивного допуска посадки теоретико-вероятностным методом расчета с учетом долговечности и ВБР при отказе по двум пределам 93
2.1.2. Использование вероятностного сочетания зон рассеяния сопрягаемых деталей для повышения долговечности соединений 94
2.1.3. Использование вероятностного сочетания зон рассеяния сопрягаемых деталей для снижения стоимости обработки элементов соединений 98
2.1.4. Технико-экономическая модель оптимизации стоимости восстановления (изготовления) и обработки деталей соединения
на заданный ресурс с учетом точностных параметров 99
2Л .4. Г. Модель оптимизации стоимости ремонта соединения при восстановлении двух деталей на заданный ресурс 101
2.1.4.2. Модель оптимизации стоимости ремонта соединения при восстановлении одной детали на заданный ресурс 102
2.1.4.3. Модель оптимизации стоимости ремонта сборочной единицы или агрегата при восстановлении соединений на оптимальный ресурс 104
2.1.4.4. Особенности применения моделей 105
2.1.5. Способ сборки методом процентной взаимозаменяемости 106
2.2. Разработка и совершенствование теоретических методик расчета точностных параметров соединений
сельскохозяйственной техники 110
2.2.1. Разработка методики определения параметров предел ьного состояния соединения «вал - уплотнение» 110
2.2.2. Разработка методики определения предельных натягов и зазоров «вал - втулка» 112
2.2.3. Разработка методики расчета и выбора посадок колец подшипников 120
2.2.3.1. Цели и задачи методики 120
2.2.3.2. Выбор посадки местно-нагруженного кольца 120
2.2.3.3. Расчет и выбор посадки циркуляционно-нагруженного кольца 121
2.2.3.4. Особенности расчета и выбора посадок колец конических подшипников качения при ремонте сельскохозяйственной техники... 130
2.3. Выводы 131
Глава 3. Методы и средства экспериментальных исследований 134
3.1. Методы и средства экспериментальных исследований при анализе точности и надежности соединений «вал - уплотнение» 136
3.1.1. Методы и средства измерений отклонений и износа элементов соединения 136
3.1.2. Методы и средства исследования динамики изнашивания соединения «вал - уплотнение» 136
3.1.3. Методики испытаний 146
3.1.3.1. Методика испытаний с целью определения параметров предельного состояния соединения «вал - уплотнение» 146
3.1.3.2. Методика испытаний на износостойкость соединения; «вал — уплотнение» 148
3.1.3.3. Методика эксплуатационных испытаний 150
3.1.3.4. Методика планирования и оценки результатов при многофакторном эксперименте 150
3.1.5.. Методика построения динамики и определения функции изнашивания 152
3.2. Методы и средства экспериментальных исследований при анализе точности и надежности соединений «вал - втулка» 153
3.2.1. Методы и средства измерений отклонений
и износа элементов соединения 153
3.2.2. Методы и средства исследования динамики изнашивания соединения «вал- втулка» 153
3.3. Методы и средства экспериментальных исследований при анализе точности и надежности соединений колец подшипников качения. 155
3.3. L. Методы и средства измерений радиального зазора в подшипниках 155
3.3.2. Методы и средства измерений
отклонений и износа элементов соединений 156
3.3.3. Методы и средства исследования динамики изнашивания: соединений колец подшипников качения 156
3.3.4. Устройство и принцип действия стенда 159
3.3.5. Методика проведения стендовых испытаний с целью определения параметров предельного состояния соединения «внутреннее кольцо —вал» 163
3.3.5.1. Испытания радиальных шарикоподшипников 165
3.3.5.2. Испытания радиально - упорных роликоподшипников 166
3.3.6. Методика проведения эксплуатационных испытаний 168
3.4. Выводы 169
Глава 4: Результаты исследований и их анализ 170
4.1. Результаты исследований и анализ соединений «вал - уплотнение» 170
4.1.1. Анализ соединения и его элементов 170
4.1.1.1. Классификация уплотнительных устройств,
применяемых в сельскохозяйственной технике 170
4.1.1.2. Основные характеристики соединения и его элементов 172
4.1.1.3: Анализ надежности и условий работы соединений «вал —уплотнение» 174
4.1Л .4. Способы восстановления и обработки элементов соединения 182
4.1.1.5. Итоги анализа , , 183
4.1.2. Исследования износа, износостойкости и герметичности соединений «вал - уплотнение» 185
4.1.2.1. Исследование износа соединения и его элементов 185
4.1.2.2. Результаты исследования динамики изнашивания соединения «вал - уплотнение» 185
4.1.2.3. Определение параметров предельного состояния соединения «вал - уплотнение» 187
4.1.3. Использование вероятностного сочетания зон рассеяния сопрягаемых деталей для повышения долговечности соединений 192
4.1.4. Разработка системы ремонтных размеров вала иметодики подбора манжет 192
4.1.5. Исследование влияния точностных и технологических параметров соединения «вал — уплотнение» на долговечность 195
4.1.6. Разработка приспособления для дефектации, сортировки и контроля внутреннего диаметра манжет 197
4.1.7. Выводы 200
4.2. Анализ и результаты исследований соединений «вал - втулка» . 202
4.2.1. Анализ соединения и его элементов 202
4.2.1.1. Нормирование точности соединений 202
4.2.1.2. Анализ надежности и условий работы соединений «вал - втулка» 204
4.2.1.3. Способы восстановления и обработки элементов соединения 207
4.2.1.4. Итоги анализа 209
4.2.2. Исследования износа соединений «вал - втулка» 210
4.2.2.1. Исследования износа соединений «вал-втулка звездочки» 210
4.2.2.2. Исследования износа соединений «вал - втулка шестерни» 211
4.2.3. Апробация методики определения параметров
предельного состояния на соединениях «вал - втулка» 212
4.2.4. Методика и результаты исследования фактического смятия шероховатости поверхностей в соединении «вал — втулка» при многократной разборке-сборке 215
4.2.5. Результаты исследования динамики изнашивайия соединения «вал —втулка» 217
4.2.6. Использование вероятностного сочетания зон рассеяния сопрягаемых деталей для снижения стоимости обработки элементов соединений 218
4.2.7. Применение процентной взаимозаменяемости 219
4.2.8. Исследование влияния точностных и технологических параметров на долговечность 221
4.2.9. Выводы 224
4.3. Оптимизация норм взаимозаменяемости соединений колец подшипников качения 226
4.3.1. Анализ соединения и его элементов 226
4.3.1.1. Нормирование точности соединений 226
4.3.1.2. Анализ надежности и условий работы
соединений колец подшипников качения 228
4.3.1.3. Способы восстановления и обработки элементов соединений 230
4.3.1.4. Итоги анализа 231
4.3.2. Исследования износа соединений колец подшипников 232
4.3.2.1.. Исследования износа соединений «вал — внутреннее кольцо» 232
4.3.2.2. Исследования износа соединений «наружное кольцо — корпус» . 233
4.3.3. Апробация методики расчета и выбора посадок колец подшипников качения 235
4.3.4. Результаты стендовых испытаний и их анализ 237
4.3.4.1. Определение взаимосвязи параметров предельного состояния посадки для радиальных шарикоподшипников 237
4.3.4.2. Определение взаимосвязи параметров предельного состояния посадки для радиально - упорных роликоподшипников 240*
4.3.4.3. Результаты исследования динамики изнашивания соединений колец подшипников качения 242
4.3.5. Исследование влияния точностных и технологических параметров соединения «вал — втулка» на долговеность 243
4.3.6. Выводы 244
Глава 5. Практическая реализация и экономическая эффективность результатов исследований . 246
5.1. Практическая реализация результатов исследований 246
5.1.1. Результаты эксплуатационных испытаний 246
5.1.2. Внедрение и производственная проверка результатов исследований 248
5.1.3. Внедрение методик расчета точностных параметров 248
5.2. Оценка экономической эффективности 249
5.2.1. Существующие методики расчета 249
5.2.2. Основные положения Методики - 88 250
5.2.3. Расчет экономической эффективности от внедрения технологического процесса восстановления валов соединения «вал — уплотнение» 253
5.2.4. Расчет экономической эффективности от внедрения технологического процесса восстановления валов соединения «вал - подшипник качения» 259
5.2.5. Выводы 263
Общие выводы 264
Библиографический список
- Современные организационные, технические и экономические аспекты состояния сельскохозяйственной техники в России
- Совершенствование теории точности изготовления и восстановления элементов соединений
- Методы и средства экспериментальных исследований при анализе точности и надежности соединений «вал - уплотнение»
- Результаты исследований и анализ соединений «вал - уплотнение»
Введение к работе
Актуальность темы. Низкая надежность отечественной сельскохозяйственной техники вынуждает сельхозпроизводителей приобретать лишние машины, покупать большое количество запасных частей, затрачивать средства на внеочередной ремонт и иметь потери от простоя техники. Это отрицательно сказывается на себестоимости сельскохозяйственной продукции.
Из отчетов ЦМИС Минсельхоза России за последние годы видно, что в 90 % случаев и более сельскохозяйственная техника изготавливается с нарушениями технических условий, среди которых несоблюдение допусков превышает 15...20 %. Анализ технической документации на изготовление и ремонт этой техники показал, что допуски и посадки для подавляющего большинства соединений не рассчитываются для конкретных параметров функционирования, а назначаются по методам прецедентов и подобия. Универсальных расчетных методик либо не существует, либо они недостаточно совершенны и не имеют широкого распространения.
Ресурс отремонтированной сельскохозяйственной техники составляет 40...80 % от ресурса новой. Если не исследованы точностные параметры соединений, то использование современных методов восстановления не приведет к значительному повышению надежности. Таким образом, обеспечение качества ремонта неразрывно связано с применением научно обоснованных норм точности соединений, сборочных единиц и агрегатов.
Исследования в области разработки методов обоснования, расчета и нормирования точностных параметров соединений являются актуальными и имеют большое значение как для агропромышленного комплекса, так и для других отраслей экономики Российской Федерации.
Настоящие исследования выполнены в соответствии с Федеральным законом «Об инженерно-технической системе агропромышленного комплекса» (№ 100—ФЗ от 24 мая 1999 г.), «Федеральной целевой программой стабилизации и развития агропромышленного производства в Российской Федерации на 1996-2000 гг.» (Указ Президента Российской Федерации № 933 от 18 июля 1996 г.), «Стратегией развития тракторного и сельскохозяйственного машиностроения России» (Протокол совещания у Председателя правительства Российской Федерации № МК~П5-14пр от 15 сентября 2000 г.), на кафедре метрологии, стандартизации и квалиметрии ФГОУ ВПО МГЛУ.
Цель работы. Разработка теоретических и практических принципов и методик расчета точностных параметров при ремонте унифицированных соединений сельскохозяйственной техники.
Объект и предмет исследований. В сельскохозяйственной технике около 70 % соединений являются унифицированными, значительную часть которых составляют соединения колец подшипников качения с валами и корпусами, а также типа «вал - втулка» и «вал - уплотнение».
Методы исследований выбирались на гуиппр гнгтрмнп;-о подхода к решению основных задач, определяемых целью riifftftUi .НАЦИ О КАЛЬНАЯ I
При проведении фундаментальных теоретических исследований использовались методы системного и математического анализа, элементы теории точности, теории надежности, теории вероятностей и математической статистики.
При проведении прикладных теоретических исследований реализовыва-лись методы точностного и размерного анализа, теория надежности, теория прочности и сопротивления материалов.
При проведении экспериментальных исследований использовались методы многофакторного и статистического анализа по классическим методикам, а также современная отечественная и зарубежная аппаратура. В ряде случаев разрабатывались оригинальные методы и приборы.
Научная новизна работы заключается в совершенствовании теории расчета и выбора посадок гладких цилиндрических соединений:
Получены аналитические зависимости, позволяющие определить требуемый конструктивный допуск посадки на заданном ресурсе работы соединений с учетом вероятностной природы процесса старения, заданного уровня брака и вероятности безотказной работы.
Получена математическая модель для определения относительной износостойкости соединения в зависимости от износостойкости отверстия и вала при применении различных способов восстановления.
Предложен новый алгоритм для определения оптимальных величин сдвига и расширения зоны рассеяния размеров в посадке с учетом необходимой долговечности соединений и снижения себестоимости обработки.
Предложено теоретическое решение проблемы определения оптимальных способов восстановления и обработки элементов деталей, образующих соединение. Теоретически обоснован оптимальный ресурс работы соединения, сборочной единицы или агрегата, обеспечивающий минимальные затраты при ремонте, а также равный или кратный ресурс соединений.
Разработан и теоретически обоснован новый метод обеспечения неполной взаимозаменяемости — метод процентной взаимозаменяемости, открывающий возможности сборки бракованных валов и отверстий с соблюдениями всех норм точности соединений.
Разработана методика расчета точностных параметров для унифицированных соединений «вал - уплотнение» по критерию начала утечек.
Разработана комплексная методика расчета и выбора посадок колец подшипников качения с целью обеспечения наибольшей долговечности как посадок, так и подшипникового узла.
Дополнена методика расчета норм точности для соединения «вал - втулка».
Практическая значимость работы заключается в широком внедрении на практике алгоритмов и результатов расчетов, методов исследований и практических рекомендаций в области расчета и нормирования точности соединений, а именно:
в разработке рекомендаций по определению научно обоснованных параметров посадок унифицированных соединений типа «вал — уплотнение», «вал —
втулка» «сопрягаемая деталь - кольцо подшипника качения» в сочетании с рациональными способами восстановления;
в разработке оригинальных методик и рекомендаций по определению параметров предельного состояния унифицированных соединений;
в разработке специальных стендов, методик и приспособлений для проведения исследований по каждому виду соединений;
во внедрении в учебный процесс перспективных методов расчета точностных параметров унифицированных соединений.
Реализация результатов исследований. Основные положения общетеоретических исследований опубликованы в официальных трудах школы теории точности Российской академии наук. Подготовлены и выпущены методические рекомендации «Методика расчета и выбора посадок неподвижных соединений при ремонте сельскохозяйственной техники», «Методика расчета и выбора посадок колец подшипников качения при ремонте сельскохозяйственной техники», рассмотренные и одобренные Научно-техническим советом департамента технической политики Минсельхоза России (протокол № 14 от 3 июля 2003 г.). Вторая из названных методик была рассмотрена на расширенном заседании сотрудников и специалистов Всероссийского научно-исследовательского института подшипниковой промышленности (ОАО «ВНИГШ»), откуда получено положительное заключение.
Результаты теоретических и экспериментальных исследований рассмотрены, апробированы, одобрены и внедрены в КБ ГНУ «Всероссийский научно-исследовательский институт механизации (ВИМ)» РАСХН, в ОАО «ВНИПП», в ОАО «МОССЕЛЬМАШ», в ОАО «Клинское РТП», в ОАО «Собинское РТП», в ОАО «Агросервис», во Владимирской МИС и на других предприятиях, что подтверждено соответствующими актами.
Теоретические и практические разработки, представленные в диссертации, широко используются в учебном процессе, в частности, в разработанном автором учебном пособии «Курсовое проектирование по метрологии, стандартизации и сертификации», допущенным УМО вузов по агроинженерному образованию в качестве учебного пособия для студентов, обучающихся по направлению 660300 «Агроинженерия».
Основные положения работы, выносимые на защиту. Автором лично получены и выносятся на защиту следующие основные положения:
общетеоретические основы расчета конструктивного допуска посадки но модели параметрического отказа соединения с учетом динамики и вероятностных характеристик процесса старения, относительной износостойкости соединения, заданного уровня брака и вероятности безотказной работы при моделировании отказа соединения по одному и двум пределам;
математическая модель для определения относительной износостойкости соединения в зависимости от износостойкости отверстия и вала при применении различных способов восстановления;
методика определения оптимальных величин сдвига и расширения зоны рассеяния размеров в посадке с учетом необходимой долговечности соединения и обеспечения снижения себестоимости обработки;
теоретические основы решения проблемы определения наилучших способов восстановления и обработки элементов соединения (поверхностей деталей), под расчетные значения допусков;
математическое обоснование способа сборки соединений методом процентной взаимозаменяемости;
комплексная методика расчета и выбора посадок соединений колец подшипников качения;
методика расчета предельных и конструктивных натягов для соединений «вал — уплотнение»;
совершенствование методики расчета и выбора посадок для соединений «вал — втулка».
Апробация работы. Основные положения и результаты исследований обсуждены и одобрены:
на научно-методическом совете Минсельхоза России, секция «Техническая политика» (г. Москва, 2003 г.);
на международной научно-технической конференции «Проблемы и перспективы развития двигателестроения» (г. Самара 2003 г.);
на международном научно-техническом семинаре «Сборка в машиностроении и приборостроении» (г. Брянск, 2001 г.);
на международных научно-технических конференциях, посвященных памяти Генерального конструктора аэрокосмической техники академика П.Д. Кузнецова (г. Самара 1999,2001 гг.);
на международном симпозиуме «Надежность и качество 2000» (г. Пенза, 2000 г.);
на международной научно-практической конференции «Методы и средства испытаний и сертификации технологий, техники и сельскохозяйственной продукции» (г. Москва, 2000 г.);
в материалах международной научной школы «Теоретические и прикладные проблемы точности и качества машин, приборов, систем» (г. Санкт-Петербург 1997 г.);
на всероссийской научно-технической конференции «Новые материалы и технологам НМТ-98» (г. Москва, 1998 г.);
на международной научно-технической конференции «Агротехиспыта-ния - 98» (г. Солнечногорск, 1998 г.);
на всероссийской научно-технической конференции «Машиностроительные технологии» (г. Москва, 1998 г.);
на международной научно-технической конференции, посвященной памяти академика В.П. Горячкина (г. Москва, 1998 г.);
на международной научно-технической конференции «Вопросы совершенствования технологических процессов механической обработки и сборки изделий машиностроения» (г. Тула, 1996 г.);
на семинаре «Современные технологии восстановления и упрочнения деталей - эффективный способ повышения надежности машин» (г. Москва, 1996 г.);
на заседаниях кафедры метрологии, стандартизации и квалиметрии и научных конференциях профессорско-преподавательского состава, научных работников и аспирантов МГЛУ имени В.П. Горячкина (г. Москва, 1990...2003 гг.).
Публикации. Основные положения теоретических исследований и практических рекомендаций по теме диссертации опубликованы в 65 научных работах, в том числе в одной монографии, двух нормативных документах, двух учебных пособиях, в 60 статьях (5 из них - в центральных журналах, рекомендованных ВАК РФ) и тезисах докладов, в одном отчете о научно-исследовательской работе, зарегистрированном в ВНТИ-центре.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, библиографического списка и приложений. Работа изложена на 324 стр. машинописного текста, содержит 52 рисунка, 46 таблиц, библиографию из 180 наименований и 12 приложений.
Современные организационные, технические и экономические аспекты состояния сельскохозяйственной техники в России
Состояние российского рынка техники для АПК характеризуется значительным сокращением продаж новых машин отечественного производства и слабо организованной торговлей, как новой, так и подержанной техникой и запасными частями. В ближайшее время в России нельзя ожидать существенного обновления моделей сельскохозяйственной техники. Поэтому использование восстановленной подержанной техники и запасных частей является важным направлением ресурсосбережения в АПК.
В 2002 г. в связи со снижением покупательной способности сельскохозяйственных товаропроизводителей и выбытием изношенной техники в сельском хозяйстве продолжалось сокращение машинотракторного парка. Количество тракторов сократилось на 45 тыс., сеялок — на 20 тыс. единиц [147].
Для выполнения полевых работ в оптимальные агротехнические сроки недоставало 685 тыс. тракторов, 379 тыс. плугов, 165 тыс. культиваторов, 210 тыс. сеялок, 178 тыс. зерноуборочных комбайнов, 22 тыскормоуборочных комбайнов. Обеспеченность основными видами сельскохозяйственной техники на конец 2002 года составила: тракторами - 52 %, плугами - 37, культиваторами - 60, сеялками - 59, зерноуборочными комбайнами - 51, кормоуборочными комбайнами - 71 %, что на 1 ...3 % ниже, чем в предыдущем году [147].
Нагрузки на технику в 2002 г. составили на: тракторы - не более 140 га при нормативе 73 га, плуги — соответственно 464 и 173 га, культиваторы — 416 и 250 га, сеялки — 213 и 123 га, зерноуборочные комбайны — 267 и 131 га, кормо-уборочные комбайны - 223 и 157 га [147].
По предварительным данным, в 2002 г. энергообеспеченность составила всего 315 л.с. на 100 га посевной площади, что ниже, чем в 2001 г. (321 л.с), и намного меньше, чем в передовых зарубежных странах [147].
Сложившееся положение с обеспеченностью сельского хозяйства техническими средствами усугубляется еще и тем, что 55...70 % имеющегося машинно-тракторного парка выработало свой срок службы, находится за пределами сроков амортизации и требует повышенных затрат на поддержание в работоспособном состоянии.
Техническая готовность основных видов сельскохозяйственных машин в период полевых работ-в 2000".... 2002 гг. характеризовалась показателями, представленными в табл. 1.1 [147].
После оживления в последние года вновь произошло серьезное сокращение выпуска продукции тракторного и сельскохозяйственного машиностроения. Его объем уменьшился в 2002 г. по сравнению с 2001 г. на 22,4 %. Вместе с тем, несмотря на большую потребность в технике и при недостатке на се приобретение, цены на нее продолжались расти, табл. 1.2, рис. 1.1 [147].
Крайне негативное влияние на развитие рынка материально-технических ресурсов оказывает низкое качество поставляемой отечественной промышленностью техники. Так, по данным Гостехнадзора, из 3 тыс. предъявленных претензий поставщикам техники в 76 % случаев признана их вина. При этом почти у 50 % машин, вышедших их строя по вине завода-изготовителя, дефекты устраняются силами и средствами сельскохозяйственных товаропроизводителей. По этим причинам доля продаж отечественных тракторов на внутреннем рынке в 2002 году составила 25 % [147].
По данным испытаний серийных машин за период 1998...2002 годов свыше 95 % образцов изготовлены с отклонениями от технических условий, табл. 1.3. Нормативам по надежности не соответствуют до 30 % представленных образцов. По результатам испытаний безотказность тракторов в 2002 году
в сравнении с 1991 г. снизилась по различным классам и производителям от 30 до 80 %. Не улучшилось за последние годы качество изготовления и зерноуборочных комбайнов. Диапазон варьирования средней наработки на отказ отечественных комбайнов в 2002 году составил от 16 до 40 часов. Это в 5...20 раз ниже, чем у импортных аналогов. Не удовлетворяют требованиям надежности и качества изготовления и другие виды сельскохозяйственной техники: плугов -около 30 %, борон— 35-%, культиваторов - 60 %, сеялок - 45 %, косилок - 60 %. Свыше 40 % сельскохозяйственной техники не соответствует техническим условиям по показателям назначения (эксплуатационным показателям) [147].
Острая потребность сельских товаропроизводителей в сельскохозяйственной технике стимулирует выход на рынок производителей регионального уровня в основном относительно несложной почвообрабатывающей, кормозаготовительной техники, а также оборудования для животноводства. Она изготавливается, как правило, по заимствованной документации малыми сериями (20...100 штук) по упрощенной технологии и не представляется на государственные испытания.
Совершенствование теории точности изготовления и восстановления элементов соединений
На основании положений теории надежности отказы подразделяются на постепенные и внезапные. Можно выделить категорию отказов функционирования (когда изделие перестает выполнять свои функции в результате поломок, заклинивания и т.п.) и категорию отказов параметрических (когда регламентированные параметры изделия выходят за допустимые пределы). Продолжение эксплуатации машины, имеющей параметрический отказ, может привести к выпуску некачественной продукции или к снижению эффективности работы машины. В сложных машинах параметрические отказы элементов могут привести к отказу функционирования.
Главной задачей при оценке надежности изделия является отыскание закономерностей изменения во времени параметров, характеризующих техническое состояние, а также рассеяния этих параметров на заданном ресурсе.
Однако непосредственное применение законов распределения не может быть признано основным методом решения задач надежности. Во-первых, закон выбирают формально, по внешним признакам, он не отражает процесса формирования отказа, и поэтому всегда имеется опасность весьма грубого приближения. Во-вторых, для получения статистических данных, позволяющих судить о законах распределения, требуется, как правило, очень длительное время, так как фиксируется конечная стадия - отказ.
Для более полного анализа надежности машин необходимо построить мо дели формирования отказов, которые отражают процессы, изменяющие выход ные параметры.
Рассмотрим общую схему формирования отказа изделий (рис. 2.1), когда протекание-различных-процессов повреждения приводит к изменению во времени выходного параметра А. Вначале имеет место рассеяние конструктивных параметров, характеризующееся средним квадратическим отклонением (СКО) ак относительно своего математического ожидания Л . Это связано с рассеянием начальных (конструктивных) показателей, с возможностью работы соединения в различных режимах и протеканием таких процессов, как вибрация, деформация и других, которые проявляются сразу после начала работы машины. Затем в процессе эксплуатации параметры изделия изменяются по определенному закону старения U(t), что можно представить функцией изменения ones ниваемых параметров во времени [107]: торый промежуток времени t0, который также является случайной величиной и связан с накоплением повреждений (например усталостных), действием внешних причин и т.п.
Процесс изменения параметра Д(г) также является случайным и зависит от изменения повреждений отдельных элементов изделия Д,(0 Отказ возникает при достижении верхнего или нижнего пределов нормального функционирования - AFmax и Afmin, которые также могут иметь некоторое рассеяние.
Случайный процесс Д(/), основанный на функциональной зависимости того или иного процесса старения, возникает из-за появления случайных фактров. В общем виде случайный процесс изменения параметра А во времени можно представить так [100, 107]: Д(0 = Лк+Д(0 + КО, (2-2) о где Д - начальное (конструктивное) значение параметра; Д(/)- центрированный случайный детерминированный процесс; yj(t) — флуктуация параметра. В свою очередь [100,107] (г) = «( ) +ДО. (2.3) где o(t) — периодическая составляющая, являющаяся детерминированной функцией (например - периодические компоненты кинематических ошибок механических передач, радиальное биение и т.п.); p(i) - случайная составляющая.
В результате влияния случайных факторов, реальные процессы старения отличаются от линейных, обладают свойством «перемешанных» процессов и могут иметь как монотонный, так и немонотонный характер. Эти свойства влияют на параметры закона распределения и оценку вероятности безотказной работы (ВБР).
С учетом указанной динамики процесса старения получены следующие зависимости для оценки параметрической надежности при различной степени влияния флуктуации [107]:
Методы и средства экспериментальных исследований при анализе точности и надежности соединений «вал - уплотнение»
Отклонения размеров новых и изношенных элементов соединения - вала и манжеты проводилось средствами измерений, представленными в таблице 3.2.
Измерения проводились в двух взаимно перпендикулярных плоскостях и одном сечении (по линии износа), вычислялся средний размер (отклонение).
Все испытания, кроме эксплуатационных, проводились на стенде, изготовленном в Санкт-Петербургском аграрном университете. Стенд предназначен для испытаний соединений «вал — уплотнение» агрегатов сельскохозяйственных машин в условиях, максимально приближенных к реальным. Описание стенда изложено в [88]. Технические характеристики стенда приведены в таблице 3.3. На стенде контролируются параметры, представленные в таблице 3.4.
Основными узлами стенда являются четыре рабочие камеры 2, в каждой из которых размещены по два модульных испытуемых соединения» Камеры распределены на два автономных блока с индивидуальными приводами и гидравлическими системами. Привод валов каждого блока осуществляется от серийных регулируемых электродвигателей 3 типа ПМУ-7М мощностью по 2 кВт и обеспечивающих плавное регулирование частоты вращения.
Рабочие камеры каждого блока теплоизолированными трубопроводами связаны с термостатами 4 типа ТС-25, обеспечивающими циркуляцию и тер-мостатирование рабочей жидкости в камерах. Уровень рабочей жидкости в камерах контролируется стеклянными мерами и регулируется дросселями на напорных и сливных магистралях. Циркуляционная система подачи рабочей жидкости и сведение к минимуму застойных зон обеспечивают достаточную стабильность концентрации механических примесей в рабочей жидкости.
Конструкция рабочей камеры представлена на рис. 3.4. Корпус камеры 2 установлен и закреплен на раме 1. Вал 10 установлен на двух шарикоподшипниках 18 (условное обозначение 210), закрытых крышками 16 с манжетами. Подшипниковые узлы заполняются консистентной смазкой ЛИТОЛ-24. Рабочая полость камеры образована рабочими кольцами 7 (моделями вала) и промежуточными кольцами 8, установленными на втулке 9, двумя крышками 4 с испытываемыми манжетами 5 и стаканами 3. Эксцентриситет втулки 9 и шеек вала 10 относительно опорных шеек позволяет регулировать радиальное биение рабочих поверхностей колец 7 в диапазоне 0...1,5 мм. Крепление колец в фиксированном положении осуществляется с помощью двух гаек и упора 6. Стакан 3 с крышками 4 крепится к корпусу 2 двумя прихватами 22. Рабочая жидкость в камеру поступает из трубопровода 12 через отверстия в корпусе 2 и стакане 3 через уплотнительное резиновое кольцо 11. Корпус 2 между рабочей камерой и опорным узлом имеет четыре окна, облегчающие доступ к внутренним узлам рабочей камеры.
Привод вала 10 от вала двигателя 20 осуществляется через шкивы 14 и два клиновых ремня 19 типа Л-1000 ВНТ, закрытых кожухом 15. На кожухе установлен тахогенератор, вал которого резиновой муфтой соединен с болтом 21 на валу 10. Натяжение ремней 19 осуществляется двигателем, установленным на качающейся плите.
Для исследования параметров предельного состояния было разработано специальное устройство, рис.3.5, которое устанавливается в корпусе вместо рабочей камеры. Оно состоит из кольца 6, трех шарикоподшипников 2 на кронштейнах, корпуса 3 с испытуемой манжетой 4, кронштейна с упругой пластиной I с наклеенными тензодатчиками 8 и нити 9. Манжеты в корпусе 3 устанавливаются на трех шарикоподшипниках, обеспечивающих ей одну степень свободы относительно вращающегося вала. Возникающий момент трения в узле уравновешивается упругостью пластины 1, деформация которой фиксируется проволочными тензодатчиками 8. Конструкция корпуса 3 позволяет подавать рабочую жидкость в зону контакта через трубку 11 и сливать жидкость через трубку 10 большого проходного сечения. Управление стендом и контроль основных характеристик производится с пульта.
В аппаратуру управления входят регуляторы частоты вращения рабочих валов, датчики частоты вращения и пульты управления термостаторами. Регуляторами частоты вращения служат реостаты ГСПС-2. Метрологические и технические характеристики измеряемых параметров и средств измерений, установленных на стенде, приведены в таблице 3.5.
Измерение температур. Температура рабочей жидкости в манжете при испытаниях с целью определения параметров предельного состояния измеряется с помощью термопары ХК с диаметром горячего спая 0,8 мм. Термопара вводится через отверстие корпуса диаметром 3 мм в тело манжеты под пружину, рис.3.6, и держится силой упругости пружины.
Результаты исследований и анализ соединений «вал - уплотнение»
Надежность сельскохозяйственной техники во многом зависит от правильного подбора и обеспечения долговечности работы соединения «вал — уплотнение». Около 90 % случаев аварийного разрушения подшипниковых узлов вызвано неудовлетворительной работой этого соединения. При капитальном ремонте сельскохозяйственной техники 100 % уплотнений подлежат замене и от 10 до 80 % сопряженных с ними деталей требуют восстановления, увеличиваются затраты времени и средств на ремонт загрязненных деталей;
Утечки масла в коробках передач и редукторах составляют 20...30 % от общего числа отказов, а в межремонтный период отказы этих соединений встречаются в 1,5 раза чаще, чем в доремонтный. Особенно это касается самоходных и навесных комбайнов (картофелеуборочных, кормоуборочных и пр:), надежность которых на порядок ниже надежности тракторов [65].
В подвижных соединениях уплотнительные устройства подразделяются наследующие типы [8, 18, 37, 39, 66, 163]: контактные, обеспечивающие непроницаемость соединения благодаря плотному прижатию к подвижным частям; бесконтактные щелевые и лабиринтовые (для пара и газовых сред), в которых уплотнение достигается за счет гидравлических сопротивлений в зазорах; комбинированные, сочетающие контактный и бесконтактный эффект уплотнения.
В уплотнительных устройствах сельскохозяйственных машин применяются уплотнения контактного типа, как наиболее простые и дешевые. Наибольшее распространение в сельскохозяйственных машинах получили армированные манжеты. Эти манжеты используются с пружиной, обеспечивающей дополнительное прижатие. По виду конструкции наиболее применимы манжеты нормального исполнения.
Основные достоинства манжет: самоподжимной уплотняющий эффект, простота конструкции, низкая стоимость, возможность быстрого монтажа и демонтажа.
Недостатки манжет: потери энергии на трение в зоне контакта, ускоренное старение уплотняемой среды и самой манжеты вследствие взаимоокисления поверхностей, износ вала в зоне контакта.
Для тракторов наиболее применимы манжеты типа 1.1-50x70—1 и 1.1-70x90-1 [75, 83, 121, 145].
Распространение в сельскохозяйственных машинах различного назначения получили унифицированные редукторы завода МОССЕЛЬМАШ типа Н 090.20.000,,спроектированные в ВИСХОМ и применяемые для передачи крутящего момента на 90. Они имеют манжеты типа 1.1-32x52-1.
На основании данных, полученных инженером О.И. Кримененко, установлено, что самыми распространенными в картофелеуборочных комбайнах являются манжеты 1.1- 45x65-1, большинство которых — это пыльники для сборочных единиц с консистентной смазкой.
Таким образом, лучше всего проводить исследования для манжет 1-1—45x65—1, так как данный типоразмер является промежуточным между манжетами 1.1-32x52-1 и 1.1-50x70-1, их параметры практически идентичны (табл. 4.1...4.3).
Для удобства описания конструктивных, технологических и точностных параметров соединения «вал — уплотнение» основные данные, полученные при анализе работ [8,37,39,51,55,66,75, 145,163,178], сведены в таблицы 4.1 и 4.2. , достаточно высоки и не все параметры соблюдаются в нормируемых пределах. Особенно это касается геометрических параметров: шероховатости поверхности, отклонения от соосности, радиального биения, допуска и отклонений вала. При анализе технических требований на капитальный ремонт различных машин, разработанных в ГОСНИТИ (табл. 4.3) выявлено, что допуски вала под манжету отличаются более чем в 30 раз, а основное отклонение вала (чаще всего равное нулю) колеблется в пределах-0,032...+0,150 мм. Это означает, что все вышеназванные параметры не рассчитываются, а назначаются по методу прецедентов, но если на той же поверхности вала находится другая деталь, то отклонения нормируются именно для этой детали.
