Введение к работе
Актуальность темы. В условиях старения и изнашивания машинно-тракторного парка, многократного удорожания машин, запасных частей и нехватки финансовых средств техническое оснащение сельскохозяйственного производства должно решаться за счет разработки новых и совершенствования существующих технологических процессов ремонта.
В сельскохозяйственной технике широко применяются гладкие цилиндрические соединения. В процессе эксплуатации более 85% машин теряют свою работоспособность не из-за поломок, а вследствие износа их рабочих поверхностей. Для повышения их долговечности необходимо формировать высокие эксплуатационные свойства на исполнительных поверхностях с применением современных технологий. При этом для наружных поверхностей такие технологии разработаны в большом объеме, а для внутренних отделочно-упрочняющих технологий, обеспечивающих длительную безотказную работу соединений, разработано недостаточно. Особенно проблематична отделоч-но-упрочняющая и упрочняющая обработка отверстий деталей диаметром менее 40 мм, доля которых составляет около 60 % от общего объема.
Эффективным способом повышения износостойкости исполнительных поверхностей отверстий деталей, в том числе и для условий малооснащенных ремонтных предприятий, следует признать электромеханическую обработку (ЭМО). Однако, малоизученным направлением является ЭМО отверстий деталей диаметром до 40 мм, что объясняется конструктивными особенностями инструментальной оснастки, применяемой при традиционных процессах ЭМО.
Таким образом, актуальность данных исследований заключается в разработке технологических процессов ЭМО, позволяющих с высокой эффективностью повышать долговечность таких соединений в процессе их восстановления и упрочнения.
Степень разработанности темы. Большой вклад в развитие технологий ремонта, восстановления и упрочнения деталей и соединений сельскохозяйственной техники внесли: Ачкасов К.А., Батищев А.Н., Бурумкулов Ф.Х., Денисов В.А, Ерохин М.Н., Казанцев С.П., Коломейченко А.В., Котин А.В., Кряжков В.М., Курчаткин В.В., Лезин П.П., Лису-нов Е.А., Лялякин В.П., Некрасов С.С, Пастухов А.Г., Поляченко А.В., Пучин Е.А., Сай-фуллин Р.Н., Стрельцов В.В., Ульман И.Е., Фархшатов М.Н., Черноиванов В.И., Шадри-чев В.А. и другие ученые.
Существенный вклад в теоретические и экспериментальные исследования, разработку оборудования, приспособлений и инструментов, используемых для отделочно-упрочняющей обработки отверстий деталей гладких цилиндрических соединений диаметром менее 40 мм, внесли Проскуряков Ю.Г., Розенберг A.M., Монченко В.П., Исаев А.Н. и другие ученые. В результате этих исследований было выявлено, что обработка дорнованием успешно заменяет операцию чистового растачивания отверстий и является перспективной для повышения качества прессовых соединений типа «тонкостенная втулка-корпус».
Однако, несмотря на высокую эффективность процесса дорнования, следует отметить некоторые недостатки данного способа.
Поверхностная твердость после упрочняюще-калибрующей обработки дорновани-ем повышается в среднем на 20% от исходной, что для условий и режимов работы современной техники является недостаточным.
При осуществлении процесса сборки дорнованием неподвижных соединений типа «тонкостенная втулка - корпус» к инструменту необходимо прикладывать значительные усилия, которые, в зависимости от технологических особенностей и свойств материала,
могут составлять 20 … 50 кН. В связи с этим для реализации данного способа сборки требуется специальное дорогостоящее оборудование.
Несмотря на значительный объем научных исследований в данной области, вопросы получения поверхности отверстий диаметром менее 40 мм с высокими эксплуатационными показателями в условиях ремонтного производства остаются нерешёнными и в настоящее время.
Работа выполнена в соответствии с планами НИОКР Ульяновской ГСХА: на 2006-2010 гг. «Разработка средств механизации и технического обслуживания энерго-и ресурсосберегающих технологий в различных процессах производства и переработки продукции сельского хозяйства» (рег. № 01200600147); на 2011-2015 гг. «Разработка ресурсо-, энергосберегающих технологий и средств механизации сельского хозяйства» (рег. № 01201157951).
Часть исследований отражена в двух отчетах о научно-исследовательской работе по тематике, финансируемой МСХ РФ.
Цель исследований: Теоретически и экспериментально обосновать повышение долговечности гладких цилиндрических соединений электромеханической обработкой отверстий деталей.
Задачи исследований:
-
Обосновать возможность повышения долговечности гладких цилиндрических соединений применением процессов электромеханической обработки (ЭМО) полосовым высокотемпературным источником отверстий деталей на основании анализа условий их эксплуатации, схем нагружения и характерных дефектов.
-
Разработать классификацию процессов ЭМО полосовым высокотемпературным источником, на основании которой предложить новые перспективные способы и конструкторские решения обработки отверстий гладких цилиндрических соединений.
-
Получить аналитические зависимости распространения температурных полей от полосового высокотемпературного источника в обрабатываемую деталь.
-
Теоретически обосновать и экспериментально подтвердить влияние микрогеометрии охватываемой и охватывающей поверхностей деталей и режимов объемного электромеханического дорнования (ОЭМД) стальных и бронзовых тонкостенных втулок, предварительно установленных в корпус, на качество соединения с натягом «тонкостенная втулка - корпус».
-
Разработать модели распределения температурных полей в деталь и инструмент и НДС детали при осуществлении процессов ЭМО полосовым высокотемпературным источником.
-
Разработать методики, технологическую и инструментальную оснастку, стенды и приспособления для проведения экспериментальных исследований.
-
Экспериментально установить влияние режимов поверхностного электромеханического дорнования (ПЭМД), ОЭМД и избирательной электромеханической закалки (ИЭМЗ) на изменение структуры поверхности, шероховатости, твердости и износостойкости поверхностей отверстий.
-
Разработать технологические процессы ЭМО полосовым высокотемпературным источником отверстий деталей гладких цилиндрических соединений техники сельскохозяйственного назначения и произвести технико-экономическую оценку внедрения результатов исследования в производство.
Объект исследований технологические процессы ЭМО отверстий деталей гладких цилиндрических соединений техники сельскохозяйственного назначения.
Предмет исследований количественные показатели эксплуатационных свойств поверхностей отверстий, сформированных применением разработанных процессов ЭМО.
Научная новизна. Научную новизну работы составляют:
теоретические уравнения и модели, характеризующие степень влияния режимов ПЭМД, ОЭМД и ИЭМЗ на распределение температурных полей в деталь и инструмент от полосового высокотемпературного источника;
модели, характеризующие степень влияния режимов ПЭМД и ОЭМД на напряженно-деформированное состояние (НДС) изделий при интенсивных теплосиловых нагрузках;
закономерности влияния технологических параметров разработанных процессов ЭМО полосовым высокотемпературным источником отверстий деталей гладких цилиндрических соединений на структуру, фазовый состав, механические и эксплуатационные свойства исполнительных поверхностей и долговечность соединений.
Теоретическая и практическая значимость работы. Обобщена и развита теория тепловых процессов, протекающих в объеме материала при воздействии движущегося полосового высокотемпературного источника. Полученные теоретические и экспериментальные зависимости позволяют определить рациональные параметры и режимы ЭМО полосовым высокотемпературным источником отверстий деталей гладких цилиндрических соединений.
Разработаны технологические процессы ЭМО отверстий деталей полосовым высокотемпературным источником, а также оборудование, инструмент, оснастка для реализации данных процессов, применение которых позволяет повысить долговечность гладких цилиндрических соединений.
Определены технологические режимы процессов ЭМО отверстий деталей из различных материалов полосовым высокотемпературным источником, гарантирующие необходимое качество по условиям эксплуатации обработанных поверхностей и качество прессового соединения типа «тонкостенная втулка - корпус».
Разработанные технологии восстановления гладких цилиндрических соединений с применением процессов ПЭМД, ОЭМД и ИЭМЗ позволяют увеличить срок их службы на 20 … 63 % в сравнении с аналогичными базовыми соединениями.
Расчётная экономическая эффективность от внедрения разработанных технологий при программе ремонта 10000 шт. по каждому из изделий за счет увеличения их ресурса и снижения трудоемкости составит более 8 миллионов рублей.
Методология и методы исследования. Для решения поставленных задач применяли дифференциальное исчисление, методы математической статистики, корреляционно-регрессионного анализа. Результаты теоретических исследований и моделирования разработанных процессов подтверждены экспериментальной проверкой в лабораторных и производственных условиях. Достоверность полученных данных обеспечена применением методов математической обработки и статистического анализа результатов исследований, многофакторного анализа, лицензионных математических пакетов программ для ПЭВМ: ANSYS 14.5, COMSOL Multiphysics v5.2, «MathCAD-14», «Statistica-10» и «Microsoft Office Excel 2010».
Вклад автора в проведённое исследование. Автор - основной исполнитель данной диссертационной работы. Все диссертационные исследования: критический обзор условий эксплуатации и причин потери работоспособности гладких цилиндрических соединений техники сельскохозяйственного назначения, а также способов повышения их долговечности, постановка проблемы, формулировка научной гипотезы, цели и задач исследований, разработка процессов ЭМО полосовым высокотемпературным источником отверстий, теоретическое обоснование повышения долговечности гладких цилиндрических соединений применением процессов ЭМО полосовым высокотемпературным источником, разработка опытных установок и инструмента для осуществления процессов ЭМО полосовым высокотемпературным источником отверстий, экспериментальное подтверждение теоретических предпосылок и определение рациональных технологических режимов разработанных процессов ЭМО, внедрение разработанных технологий в производство, а также расчет экономической эффективности использования разработанных процессов ЭМО полосовым высокотемпературным источником, выполнены лично автором при его непосредственном участии.
Положения, выносимые на защиту:
разработанная классификация и новые способы обработки отверстий деталей гладких цилиндрических соединений на основе ЭМО, а также оборудование и инструмент для их осуществления, защищенные патентами Российской Федерации;
модели распределения температурных полей от полосового высокотемпературного источника и НДС деталей при осуществлении процессов ЭМО полосовым высокотемпературным источником;
методики и стенды для экспериментального исследования долговечности гладких цилиндрических соединений;
результаты лабораторных исследований, стендовых и эксплуатационных испытаний;
практические рекомендации по применению разработанных технологий в ремонтном производстве и их технико-экономическая оценка.
Реализация результатов исследований. Разработанные технологические процессы с применением ПЭМД, ОЭМД и ИЭМЗ приняты к внедрению в ОАО «Ульяновский автомобильный завод», ОАО «Ульяновский моторный завод», ОАО «Автодеталь-Сервис», ООО «Ульяновскавтодор», ООО «Симбирскремснаб», ОАО «УТЁС», Ульяновский филиал ООО «Татнефть-АЗС Центр», ОАО «Мелекесскремтехпред» (Ульяновская обл., г. Димитровград), ОАО «Мехэнергосервис» (Ульяновская обл., г. Инза), ООО ПФ «Инзенский ДОЗ» (Ульяновская обл., г. Инза), ЗАО «Старомайнский завод механических изделий» (Ульяновская обл.), ОАО «Пластик» (Самарская обл., г. Сызрань).
Степень достоверности и апробация результатов работы. Основные положения диссертационной работы доложены на: НПК, в том числе международных, проводимых в ФГБОУ ВО «Ульяновская ГСХА» в 2005 … 2016 гг.; Международной НПК, посвященной 60-летию Победы в Великой Отечественной войне «Актуальные проблемы развития АПК», Волгоград, 19-21 апреля, 2005 г.; международной НТК, посвященной 30-летию Орловского государственного аграрного университета «Механизация интенсивных технологий в АПК», Орел, 17-20 октября 2005 г.; IX международной НПК «Современные технологии в машиностроении», Пенза, 28-29 декабря 2005 г.; II Российском форуме «Российским инновациям – российский капитал», Саранск, 9-10
июня 2009 г.; Международной НПК «Научное обеспечение агропромышленного производства». Курск, 2010 г.; Международной НПК «Разработка и внедрение ресурсо- и энергосберегающих технологий и устройств», Пенза, 2010 г.; L международной НТК «Достижения науки – агропромышленному производству». Челябинск, 2011 г.; Международной НПК «Техника и технологии: пути инновационного развития Юго-Западного Государственного университета, Курск, 2011 г.; VII Международной конференции «Актуальные вопросы современной техники и технологии»: Липецк, 2012 г.; II Международной НПК «Современные инновации в науке и технике», Курск, 2012 г.; Международной НПК «Решение проблем развития предприятий: роль научных исследований», Краснодар, 2012 г.; Международной НПК «Стратегия инновационного развития агропромышленного комплекса», Курган, 2013 г.; Международном научно-техническом семинаре имени В.В. Михайлова «Проблемы экономичности и эксплуатации автотракторной техники», Саратов, 2013 г.; Международной НПК «Совершенствование конструкции, эксплуатации, и технического сервиса автотракторной и сельскохозяйственной техники», Уфа, 2013 г.; XIII Международной НПК «Тенденции сельскохозяйственного производства в современной России», Кемерово, 2014 г.; Международной научно-практической конференции, посвященной дню Российской науки, «Образование, наука, практика: инновационный аспект», Пензенская ГСХА, 2015 г.
Публикации. По основным положениям диссертационной работы опубликовано 109 печатных работ, в том числе 46 патентов РФ на изобретения и полезные модели, монография объёмом 11,4 п.л., 31 статья опубликована в перечне изданий, рекомендованных ВАК РФ, два зарегистрированных отчета о научно-исследовательских работах. Общий объем опубликованных работ составляет 65,9 п.л., из них 50,7 п.л. принадлежит соискателю.
Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти разделов, заключения, списка литературы (316 наименований) и приложений. Основное содержание работы изложено на 363 страницах, включая 220 рисунков и 33 таблицы.