Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние вопроса и задачи исследования 7
1.1 Обзор методов и способов восстановления деталей 7
1.2 Методы восстановления гильз цилиндров 18
1.3 Технологическая подготовка восстановления гильз постановкой свертных втулок 27
1.4 Анализ данных по коэффициентам трения 29
1.5 Задачи исследования 32
2 Теоретические предпосылки восстанов ления отверстий постановкой свертных втулок 34
2.1 Физическая сторона задачи 34
2.2 Математическая модель 38
2.3 Алгоритм реализации математической модели 43
2.4 Результаты детерминированного расчета параметров соединения
3 Разработка вероятностной модели и результаты моделирования 55
3.1 Концепция вероятностного подхода 55
3.2 Вероятностная модель 59
3.3 Результаты моделирования 60
3.4 Обоснование количества испытаний 71
3.5 Прогнозирование уровня брака 76
3.6 Расчеты в случае составной втулки 81
3.7 Обоснование коэффициента запаса. Эквивалентный допуск
3.8 Выбор толщины ленты 88
4 Экспериментальные исследования 95
4.1 Исследование закономерностей изнашивания гильз цилиндров 95
4.2 Исследование коэффициента трения пары «гильзавтулка» 106
5 Технологический процесс восстановления гильз постановкой свертных втулок 114
6 Экономическая эффективность восстановления гильз постановкой свертных втулок 126
Основные выводы 130
Список использованных источников
- Методы восстановления гильз цилиндров
- Технологическая подготовка восстановления гильз постановкой свертных втулок
- Алгоритм реализации математической модели
- Обоснование коэффициента запаса. Эквивалентный допуск
Введение к работе
Современный уровень развития сельскохозяйственного и автотракторного машиностроения, как отмечает д.т.н., проф. М.И. Юдин [106], предусматривающий значительный диапазон полей допусков на размеры, пространственную геометрию, твердость материала, шероховатость поверхностей сопрягаемых деталей, а также технологическая невозможность заложить одинаковый ресурс рабочим, передающим и пассивным элементам машины, предопределяют ее неравноресурсность. Кроме того, случайный характер сочетания условий использования, по-разному воздействующих на различные элементы машины, позволяет предположить, что в обозримом промежутке времени в сельское хозяйство не будут поступать равноресурсные конструкции машин, все структурные составляющие которых по истечении определенного периода использования достигали бы одновременно предельного состояния. Таким образом, техническое обслуживание и ремонт являются необходимыми и целесообразными ресурсосберегающими мероприятиями.
В Краснодарском крае особенности обеспечения работоспособности машин - технологические, организационные, экономические - обусловлены сложившейся ситуацией, которая по мнению М.И. Юдина [104] характеризуется:
- обновляемым не более чем на 1% в год парком машин, что примерно в 10 раз ниже нормы для отечественных машин данного поколения;
- недостаточно обновляемой технологической базой технического сервиса; - неадекватным росту цен на с.-х. продукцию повышением цен на машины и запасные части к ним с одновременным ухудшением их качества;
- торможением технического прогресса в обеспечении работоспособности машин, вызванным сворачиванием цивилизованного процесса разделения труда между владельцами машин и предприятиями специализированной ремонтной базы;
- потерей для производства не менее 40% квалифицированных ремонтников.
В настоящее время в АПК Краснодарского края 70 % тракторов, 68% зерно- и кормоуборочных комбайнов , 39% автомобилей, около 70% сельскохозяйственных машин работают за пределами существующих нормативов амортизационных сроков, что привело к усложнению ремонтных работ, повышению расхода запасных частей и в целом к росту затрат на обеспечение работоспособности машин.
Существенным фактором стабилизации затрат на ремонт машин является восстановление ремонтопригодных изношенных деталей, в особенности, дорогостоящих базисных.
Разработанные в последние 25...30 лет новые технологические процессы восстановления, как правило, требуют значительных первоначальных затрат на дорогостоящее оборудование и окупаются только при больших годовых программах восстановления. Поэтому одним из важных направлений в ремонте машин является совершенствование традиционных методов, возможности которых зачастую далеко не исчерпаны.
Одним из таких методов является метод постановки дополнительных элементов , позволяющий, с одной стороны, обеспечить исходную посадку соединения, что является самым главным, а с другой, - обходиться имеющимся на предприятии технологическим оборудованием. В сложившихся условиях для большинства ремонтных пред приятии он представляется экономически целесообразным, а часто и наиболее доступным.
Работа выполнена в соответствии с тематическими планами НИР Кубанского ГАУ на 1996...2000 гг. (ГР 01960009007) и на 2001...2005 гг. (ГР 01200113467).
Целью настоящей работы является обоснование оптимальных значений конструктивных и технологических параметров соединений при восстановлении их посадок методом постановки дополнительных элементов при ремонте современных дизелей и создание более совершенных методик расчета значений этих параметров.
Объектом исследования являются технологии и средства восстановления посадок соединений дизелей.
Предметом исследования является выявление закономерностей и зависимостей, обеспечивающих надежную работу соединения «гильза-поршень» за счет введения дополнительного элемента.
Научная новизна работы заключается в более общей (вероятностной) постановке задачи Ляме о составных цилиндрах, обеспечившей возможность создать новую методику расчета конструктивно-технологических параметров соединения «гильза-втулка» современного дизеля, позволяющую назначать допуски, гарантирующие с заданной надежностью сколь угодно малый непревышаемый уровень технологического брака.
На защиту выносятся следующие положения диссертации:
- вероятностная математическая модель соединения «гильза-втулка», позволяющая с более высокой достоверностью оценить получаемые результаты расчетов конструктивно-технологических параметров восстанавливаемого соединения.
- методика обоснования коэффициента запаса, позволяющая принимать с любой задаваемой надежностью (доверительной вероятностью) более оптимистичные (меньшие) значения коэффициентов запаса удерживающей силы, что приводит к обоснованному и прогнозируемому снижению энергоемкости и материалоемкости технологического процесса.
- зависимости для оценки разброса расчетных параметров (контактное давление, удерживающая сила, напряжения в деталях) от принятой точности операций технологического процесса.
- принципы уменьшения вероятности брака ; - понятие обобщенного эквивалентного допуска, позволяющее заменить некоторую совокупность допусков на конструктивно-технологические параметры одной обобщающей числовой оценкой, что дает возможность упростить построение номограммы для обоснования необходимого коэффициента запаса, гарантирующего заданный непревышаемый уровень техноло-гического брака.
Результаты исследования рассмотрены НТС подпрограммы «Механизация» департамента сельского хозяйства и продовольствия Краснодарского края, одобрены и рекомендованы к внедрению на мотороремонтных предприятиях края (приложение 1).
Разработанные на основе результатов исследования технологические процессы, приспособления и оснастка для восстановления гильз и блоков цилиндров внедрены на ОАО РТП «Усть-Лабинсктехсервис». Акт внедрения результатов научных исследований соискателя О.Г. Ширай по теме: «Восстановление посадок соединений дизелей постановкой дополнительных элементов (на примере посадки «гильза-поршень» дизеля ЯМЗ-240)» приведен в приложении 2.
Акт микрометража восстановленных гильз после производственных испытаний в условиях рядовой эксплуатации приведен в приложении 8.
Методы восстановления гильз цилиндров
Для устранения одних и тех же дефектов деталей используют десятки методов. По данным В.И. Черноиванова [93] рабочие поверхности деталей уплотнительных узлов тракторов и сельскохозяйственных машин восстанавливают 22 методами; детали шарниров - 19 методами; шлицевые соединения - 15; детали фрикционных пар - 16; детали неподвижных соединений -37; поверхности деталей, работающих в условиях трения - 41; коленчатые валы - 8; опорные катки гусеничных тракторов = 12; коленчатые оси - 8; оси качания - 8; цапфы -7 и т.д.
Справочник по восстановлению деталей за 1981 год [13] упоминает пять основных способов восстановления гильз цилиндров автотракторных двигателей: пористое хромирование, фосфатирование, центробежная индукционная наплавка, запрессовка стальной ленты и обработка под ремонтный размер.
Современные авторы [96], [51] насчитывают уже до 10 способов восстановления гильз: термопластическая деформация (ТПД) или обжатие гильзы, гальванические покрытия (хромирование, осталивание), электроконтактная приварка износостойких материалов, электродуговая металлизация, установка износостойких вкладышей и т.д.
Начиная примерно с середины 80-х годов и до настоящего времени очень большое внимание исследователей уделялось новому направлению - термопластическому деформированию (ТПД) [17], [42], [55], [56], [83], [84], [85], [91], [96] и др. Исследовано столь много различных вариантов применения этого способа, что возникла необходимость их как-то классифицировать. Одна из таких классификаций, разработанная В.П. Хромовым [85], представлена на рис. 1.4
Каждый метод и способ восстановления обладает присущими ему достоинствами и недостатками. В таблице 1.3 перечислены основные из них для наиболее распространенных способов восстановления гильз цилиндров автотракторных двигателей. Таблица 1.3.Характеристика основных способов восстановления
Вопросы выбора метода восстановления в той или иной мере затрагиваются почти в каждой работе, посвященной восстановлению деталей. При этом наблюдается весьма широкий спектр концептуальных подходов: от классического умозрительного и логического анализа достоинств и недостатков каждого метода [36] до создания сетевых моделей с использованием теории графов и динамического программирования [33]. Тем не менее, при выборе метода восстановления гильз (как и любых других деталей) при любом подходе необходимо, по нашему мнению, принимать во внимание следующие обстоятельства.
Первое. Как считает М.И. Юдин [101], научные исследования по технологии ремонта машин должны быть ориентированы на изыскание ресурсосберегающих технологий восстановления изношенных деталей. При этом необходимо иметь в виду, что главным, в конце концов, является восстановление посадки соединения.
В порядке снижения возможностей ресурсосбережения методы восстановления посадок соединений и поверхностей изношенных деталей по энергетическому критерию проф. А.Н. Батищева [6] ранжируются следующим образом: - регулировка соединений; - перестановка деталей в другое положение; - метод свободных ремонтных размеров; - метод стандартных ремонтных размеров; - постановка дополнительных деталей; - изменение в допустимых пределах размеров, формы и пространственного положения деталей; - восстановление деталей композиционными покрытиями; - остальные способы восстановления изношенных деталей; - изготовление новых деталей, входящих в соединение.
При этом, по сбережению материалов, труда и энергии самым эффективным является первый способ, самым расточительным -последний.
Второе. Затраты на восстановление детали для каждого способа имеют свой характер зависимости от объемов восстановления. Заявления типа «стоимость восстановленной детали не превышает стольких-то процентов от стоимости новой» чаще всего подразумевают оптимальную для данного способа программу восстановления и редко снабжаются информацией о величине этой программы. Поэтому при выборе способа восстановления следует учитывать прежде всего поведение кривой затрат при различных объемах восстановления. Например, для изображенных на рис. 1.5 способов в точке а предпочтительным является способ 1, в то время как в точке Ъ - способ 2.
Каждый из известных методов и способов имеет право на существование в конкретной исторической и экономической ситуации. Многие из перечисленных методов появились и совершенствовались в эпоху развитой ремонтно-обслуживающей
Технологическая подготовка восстановления гильз постановкой свертных втулок
Одним из главных условий успешного освоения восстановления гильз постановкой свертных втулок является надлежащая технологическая подготовка. При этом приходится решать большой круг вопросов, начиная от выбора конструктивных параметров соединения «гильза-втулка» и кончая выбором технологического оборудования, проектированием необходимой технологической оснастки и назначением оптимальных режимных параметров для каждой технологической операции.
Многие из этих вопросов не являются специфичными для данного способа и решаются исходя из конкретных технологических возможностей данного предприятия. К ним относятся вопросы очистки, дефектовки, механической обработки, контроля и ряд других вопросов, уже хорошо известных и получивших удовлетворительные решения в ремонтной науке и практике.
К числу таких вопросов нельзя отнести выбор конструктивных параметров соединения «гильза-втулка», поскольку этот вопрос является специфичным, присущим только данному способу восстановления. От правильного решения именно этого вопроса в первую очередь зависит работоспособность восстановленной гильзы и, как будет показано ниже в последующих разделах, уровень производственного брака в процессе восстановления.
При выборе и расчете конструктивных параметров соединения «гильза-втулка» необходимо получить решения по следующим вопросам: - подбор материала для изготовления свертной втулки, обеспечивающего заданный ресурс цилиндро-поршневой группы; - выбор такой толщины ленты, которая обеспечивала бы работоспособность соединения «гильза-втулка» вплоть до достижения максимально допустимого радиального износа зеркала цилиндра; - выбор таких значений радиуса расточки гильзы и соответствующей ему длины заготовки для свертной втулки, которые обеспечивали бы необходимую плотность посадки втулки в гильзе и требуемую величину припуска для финишной обработки зеркала цилиндра и в то же время не приводили бы к перенапряжениям в материале втулки; - назначение оптимальных допусков на все размеры соединения, которые (допуски) обеспечивали бы приемлемый уровень вероятности возникновения брака в процессе восстановления.
Из известных нам литературных источников наиболее полное и системное освещение этих вопросов содержится в работе Н.И. Соболева и Б.А. Титунина [74]. В указанной работе авторы приводят обширные материалы по методикам расчета, исходным данным для расчетов, результатам лабораторных исследований и натурных производственных испытаний восстановленных деталей. Более подробный анализ подхода авторов этой работы к решению отдельных вопросов содержится в последующих разделах настоящей диссертации, где эти вопросы обсуждаются. Здесь мы лишь укажем, что обсуждаемая работа помогает решать основные вопросы технологической подготовки восстановления гильз цилиндров на уровне требований конца восьмидесятых годов, когда она была опубликована, и не во всем отвечает требованиям сегодняшнего дня. В частности, она не дает ответ на один из важных вопросов - оптимизацию технологической точности при рассмотрении всего комплекса операций механической обработки.
Большинство приведенных в этой работе нормативных и справочных материалов могут быть использованы при технологической подготовке восстановления гильз ЯМЗ-240 без каких-либо уточнений. Это относится, прежде всего, к данным по механическим свойствам материалов - модули упругости, коэффициенты Пуассона, прочностные характеристики материалов, содержание стандартов на холоднокатанную стальную ленту и др. В то же время отсутствие данных по износам гильз ЯМЗ-240 вынуждает включить сбор и анализ этих данных в программу наших исследований.
Приведенные в [74] данные по коэффициентам трения применяемых в данном технологическом процессе материалов не совсем согласуются с аналогичными данными других авторов и требуют отдельного анализа, чему посвящен следующий раздел настоящей главы.
По данным И.В. Крагельского [43], Нисневича А.И. [63], Якобсона М.О. [107] и ряда других исследователей, коэффициент трения зависит от материала трущихся поверхностей, от их шероховатости, от давления их взаимного прижатия, скорости их взаимного перемещения и некоторых других факторов ([26], [44] и ДР-) М.А. Мишин [60], П.Е. Дьяченко [24] и ряд других исследователей отмечают, что коэффициент трения помимо прочих факторов зависит от направления рисок (штрихов), оставляемых на поверхности режущим инструментом при механической обработке.
Универсальной формулы для вычисления коэффициента трения, которая учитывала бы все эти факторы, не существует.
Многими исследователями проведены опыты и предложены эмпирические зависимости для вычисления коэффициента трения с учетом большего или меньшего числа влияющих факторов ([9], [27], [67] и др.) Однако, все они состоятельны для конкретных специфических условий и для целей нашего исследования малопригодны. Из них лишь следует, что в общем случае коэффициент трения возрастает с ростом взаимного прижатия трущихся поверхностей, увеличением шероховатости, увеличением прочностных характеристик материалов и падает с возрастанием скорости взаимного перемещения трущихся поверхностей.
Алгоритм реализации математической модели
С некоторой погрешностью в сторону увеличения радиус расточки гильзы можно найти по формуле rp={ dM + 2Ь - fx01l)/2 (2.19)
Погрешность заключается в том, что после запрессовки втулки в гильзу внутренний диаметр гильзы под воздействием контактного давления несколько увеличится, а толщина ленты практически не изменится. Поэтому фактический припуск под хонингование уменьшится и не будет соответствовать заданному. Однако, на данном шаге алгоритма, не зная величины прироста внутреннего диаметра гильзы, этой погрешностью можно пренебречь и компенсировать ее на последующих шагах алгоритма, когда будут известны перемещения слоев гильзы и втулки под действием контактного давления. 2. Требуемое контактное давление находим из условия (2.10) обеспечения неподвижности посадки при максимальной увлекающей силе Ру: f - -rp-h (220) 3. По формуле (2.11) находим величину натяга, обеспечивающую требуемое контактное давление. Используемые в этой формуле коэффициенты Ляме С/ и С2 вычисляем по формулам: c,= 2 + vl-l2 (2.22) Значения к; и 2 на данном шаге алгоритма вычисляем по формулам: Л пир г 4. По формуле (2.16) находим приращение U2 внутреннего диаметра гильзы после запрессовки в нее втулки. Теперь может быть скорректировано первоначально принятое значение радиуса расточки гильзы: rp={ d4 + 2b - txou)/2 - U2 5. С уточненным значением гр производим пересчет значений рк, к], к2, С/, С2,Л и U2 (повторяем шаги 2, 3 и 4). 6. Находим длину пластины, обеспечивающую требуемый натяг: (2.23) на внутренней (2.24) L = 7V-(2rp+A-b) 7. Находим кольцевые напряжения поверхности втулки 1-А:, 8. Находим эквивалентное напряжение (УэквШ = " в 9. Проверяем условие прочности (2.18).
Следует отметить, что эквивалентное напряжение в момент запрессовки втулки (когда приложено осевое усилие запрессовки) всегда меньше эквивалентного напряжения в запрессованной втулке после снятия с нее осевой нагрузки. Это можно проиллюстрировать следующим примером. При толщине ленты 0,5 мм , высоте пояса 100 мм и натяге 0.23 мм напряжения составят: торцевое в конце запрессовки ат = - 48 МПа; кольцевое ак = - 320 МПа; радиальное тр = - 2,5 МПа. Главные напряжения [65] С\ о2 ст3 составят: o"i = Стр = - 2,5 МПа ; . . " а2 = ат = - 48 МПа; а3 = ок = - 320 МПа. Эквивалентное напряжение Оцькв = Oi - аз = - 2,5 - (- 320) = +317,5 МПа.
При снятии осевой нагрузки на втулку после ее запрессовки напряжения составят : торцевое ат = 0 МПа; кольцевое ок = - 320 МПа; радиальное ср = - 2,5 МПа. Главные напряжения в этом случае будут равны : о, = ат = 0 МПа; а2 = Gp = - 2,5 МПа ; а3 = ок = - 320 МПа. Эквивалентное напряжение Оцізкв = Сі - с3 =0-(- 320) = + 320 МПа.
Как видим, эквивалентное напряжение в запрессованной втулке выше, чем это же напряжение в конце процесса запрессовки, и равно кольцевому напряжению с обратным знаком.
Такое положение вещей будет наблюдаться при любой толщине ленты и любой величине натяга, поскольку у запрессованной втулки С\ всегда будет равно 0 (осевая нагрузка отсутствует), а оз всегда будет равна кольцевому напряжению, поскольку оно всегда будет по знаку совпадать с радиальным, а по абсолютной величине его превосходить.
Обоснование коэффициента запаса. Эквивалентный допуск
Действующими методическими и нормативными материалами по расчету экономической эффективности внедряемых в сельском хозяйстве технологий и сельскохозяйственной техники [57],[98] предусматривается, что экономическая оценка является заключительным этапом их комплексной оценки. Ей должно предшествовать проведение технической, технологической, социальной и экологической оценок. В предыдущих главах диссертации показано, что восстановление гильз цилиндров постановкой свертных втулок по всем этим показателям превосходит все другие методы восстановления, кроме метода ремонтных размеров, с которым они (показатели) примерно одинаковы.
Что же касается экономических показателей, то здесь метод восстановления постановкой свертных втулок значительно превосходит метод ремонтных размеров, поскольку к одной и той же гильзе последний может быть применен только один раз, в то время как постановка свертной втулки может производиться многократно, тем самым существенно продлевая общий срок работы гильзы до выбраковки.
Поэтому при расчете экономической эффективности сравниваем два варианта последовательности ремонтных воздействий : а) использование новой гильзы до предельного износа расточка на ремонтный размер - выбраковка (базовый вариант); б) использование новой гильзы до предельного износа расточка на ремонтный размер - постановка свертной втулки - выбраковка (оцениваемый вариант).
Методика [57] предусматривает, что расчет экономической эффективности следует начинать с установления объекта экономической оценки и субъекта наложения расчетов. В нашем случае объектом экономической оценки является технологический процесс восстановления гильз цилиндров постановкой свертных втулок. В качестве субъекта наложения расчетов принимаем ОАО Ремонтно-техническое предприятие «Усть-Лабинсктехсервис», на базе которого проведены отработка и внедрение техпроцесса.
Методикой [57] предусмотрено экономическую эффективность от восстановления изношенных деталей определять по формуле: fU -С" II -С" Э = Р«, (6-1) Р Р где Э„ -экономическая эффективность восстановления деталей, руб.; Цп, ЦИ -цена новых и восстановленных деталей, руб.; Р,„ Рв - наработка новой и восстановленной детали, час; С"кт, С"пст -остаточная стоимость после эксплуатации новых и восстановленных деталей, руб. Практика восстановления показывает, что ресурс восстановленной гильзы составляет не менее 80 % от ресурса новой, а с учетом пониженного качества изделий, поставляемых в запасные части, этот процент еще выше. В связи с этим формулу (6.1) можно преобразовать к виду: эв =0,8/(,, -o,8c;;.„,-z/„+c;m (6.2)
Принимая во внимание, что остаточная стоимость изношенной гильзы равна стоимости металлолома, независимо от того, восстанавливалась она или нет, можно записать
Поскольку субъектом наложения расчетов восстановленная гильза используется при капитальном ремонте двигателей, составляющая Цв интерпретируется не как цена, а как себестоимость восстановления гильзы. Это предусмотрено методикой [57] для случаев, когда восстановленные детали используются на своем же предприятии.
Цена новой гильзы колеблется в зависимости от партии поставки и других факторов. Для настоящего расчета она может быть принята равной 380 руб. Себестоимость восстановления гильзы в ОАО «Усть-Лабинсктехсервис» составляет 83 руб. (таблица 6.1) Остаточная стоимость гильзы составляет 16,3 руб. Подставляя эти значения в формулу (6.3), получим: Э„ =0,8-380 - 83 + 0,2-16,3 = 224,26 руб. Годовой экономический эффект получим, умножая Эв на годовую программу восстановления:
1. Метод восстановления посадок соединений деталей дизелей постановкой дополнительных элементов в сложившихся условиях является предпочтительным, поскольку его можно реализовать на технологическом оборудовании действующих ремонтных предприятий.
2. Для описания действующих в системе «гильза-втулка» напряжений, деформаций и перемещений можно использовать математический аппарат задачи сопротивления материалов о составных цилиндрах (задачи Ляме).
3. При проведении расчетов по средним (детерминированным) значениям исходных данных следует вводить коэффициент запаса, компенсирующий влияние неучтенных расчетом размахов их полей допусков (линейных размеров деталей, модуля Юнга, коэффициента Пуассона, коэффициента трения).
4. Предложенная новая вероятностная методика расчета конструктивно-технологических параметров соединения «гильза-втулка» и разработанная компьютерная программа для ее реализации позволяют получать конкретные сочетания значений управляемых факторов для диапазона диаметров цилиндров 100... 160 мм и параметрического ряда толщин стального проката в диапазоне 0,5...0,8 мм.
5. Установлено, что вариация удерживающей силы, эквивалентного напряжения, контактного давления практически не зависит (при прочих равных условиях) от величины их средних значений, а зависит только от величины принятых допусков. Так, прирост разброса СТ удерживающей силы не превышает 0,3% в диапазоне изменения этой силы 5... 11 кН. В 130 то же время с увеличением толщины ленты в диапазоне 0,5...0,8 мм разброс удерживающей силы возрастает на 48,3%
