Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса и задачи исследований
1.1 Современное состояние и перспективы развития механизации стрижки овец 11
1.2 Обзор исследований по надежности животноводческого оборудования 19
1.3 Влияние надежности нажимного механизма и режущих пар на технологический процесс стрижки овец 27
1.4 Цель, объект и задачи исследования 30
2. Теоретические предпосылки к обоснованию оптимального значения вероятности безотказной работы
2.1 Уточнение количества нормируемых показателей надежности нажимного механизма и режущих пар стригальной машинки 32
2.2 Выбор оптимального значения вероятности безотказной работы на примере режущих пар 36
2.3 Экономическая эффективность повышения надежности режущих пар 46
2.4 Оптимизация вероятности безотказной работы по составляющим элементам машинки и резервирование деталей 47
Выводы 53
3. Методика экспериментальных исследований
3.1 Программа исследований 54
3.2 Выбор объекта исследования 55
3.3 Методика сбора данных и оценка показателей надежности по результатам наблюдений 55
3.4 Методика определения усилий в нажимном механизме стригальной машинки 58
3.5 Методика микрометража контрольных деталей нажимного механизма 60
Анализ экспериментальных данных по надежности нажимного механизма и режущих пар стригальной машинки
4.1 Результаты испытаний агрегата 61
4.2 Определение предельного износа нажимного механизма 69
4.3 Оценка прижимного усилия в нажимном механизме. Определение коэффициента скользящего трения ножа по гребенке 70
4.4 Микрометраж контрольных деталей 72
4.5 Обработка информации о показателях надежности 77
4.5.1 Построение статистического ряда информации и определение смещения 78
4.5.2 Определение смещения начала рассеивания показателя надежности 80
4.5.3 Определение среднего значения I и среднего квадратического отклонения и показателя надежности 80
4.5.4 Проверка информации на выпадающие точки 80
4.5.5 Построение гистограммы, полигона и кривой накопленных опытных вероятностей 81
4.5.6 Определение коэффициента вариации 83
4.5.7 Выбор теоретического закона распределения для выравнивания опытной информации 84
4.5.8 Построение дифференциальной функции закона нормального распределения 85
4.5.9 Построение интегральной функции закона нормального распределения 86
4.5.10 Построение дифференциальной функции закона распределения Вейбулла 87
4.5.11 Выбор теоретического закона распределения по критерию согласия 90
4.5.12 Определение доверительных границ рассеивания одиночного и среднего значений показателя надежности и относительной предельной ошибки переноса характеристик показателя надежности 92
4.6 Обработка информации о показателях надежности по группам сложности 94
4.6.1 Обработка информации о показателях надежности I группы сложности 94
4.6.2 Обработка информации о показателях надежности II группы сложности 99
4.7 Расчет показателей безотказности нажимного механизма, режущих пар и кинематически связанного с ними эксцентрикового механизма 104
4.8 Расчет показателей ремонтопригодности 111
4.9 Оптимизационный расчет безотказности по деталям нажимного механизма, режущих пар и кинематически связанного с ними эксцентрикового механизма 117
4.10 Расчет комплексных показателей надежности стригальной
машинки 129
4.11 Рекомендации по комплекту ЗИП и проведению ТО 133
Выводы 136
Экономическая эффективность результатов исследований
5.1 Экономическая эффективность и срок окупаемости режущих пар 138
5.2 Экономическая эффективность за счет сокращения сроков стрижки 140
5.3 Экономическая эффективность от повышения вероятности Безотказной работы до 99% 142
Выводы и предложения 145
Литература
- Влияние надежности нажимного механизма и режущих пар на технологический процесс стрижки овец
- Экономическая эффективность повышения надежности режущих пар
- Методика сбора данных и оценка показателей надежности по результатам наблюдений
- Оценка прижимного усилия в нажимном механизме. Определение коэффициента скользящего трения ножа по гребенке
Введение к работе
Для обеспечения механизации основных работ в животноводстве необходимо перейти на использование высококачественых и экономичных машин, поднять их производительность, надежность и срок службы.
Овцеводство является одной из важнейших отраслей животноводства. Эта отрасль обеспечивает промышленность такими ценными видами сырья, как шерсть, овчины, каракуль и поставляет населению продукты питания - мясо, а так же молоко, из которого производят сыры и брынзу. По разнообразию производимой продукции овцеводство не имеет себе равных среди отраслей продуктивного животноводства.
В области заготовки шерсти немаловажное значение имеет увеличение производительности электростригальных агрегатов. Стрижка овец - одна из важных и трудоёмких работ в овцеводстве. По своей значимости она стоит в одном ряду с разведением, кормлением и содержанием овец, так как при плохой стрижке и хорошая по качеству шерсть может превратиться в брак. Период стрижки является весьма напряжённым, так как связан с сезонностью и совпадает со сроками производства других сельскохозяйственных работ. В связи с этим необходимы машинки с хорошими техническими возможностями, надёжные в эксплуатации.
До нашей эры, когда стали приручать овец, их не стригли, а выдергивали и вычёсывали шерсть вручную. Позднее, с появлением ремёсел, для стрижки овец стали применять ручные ножницы. В 19 веке, во время развития овцеводства, возникла необходимость замены ручных ножниц механическими. Первая стригальная машинка была сконструирована в 1887 году в Австралии ирландцем Фреодориком Йорком Волслей и состояла из гребёнки и дискового ножа, а привод осуществлялся с помощью канатной передачи.
Достоинства машинной стрижки заключаются в облегчении труда стригалей и повышении их производительности. Ручными ножницами на стрижку одной овцы затрачивалось 20 - 25 минут, машинкой от 3 до 8 минут в зависимости от навыков стригаля; улучшается качество и настриг шерсти за счёт бо-
7 лее равномерного среза. Все эти преимущества дали повсеместное внедрение машинной стрижки в овцеводстве.
В России машинная стрижка овец импортными машинками начала применяться с 1929 года в хозяйстве «Овцевод» Омской области. Первые отечественные стригальные машинки марки РМЗ были освоены Ростовским механическим заводом в 1934 - 1936 гг. Начиная с 1938 года, этот же завод выпускал широкозахватную машинку ШЗМ-2 с гибким валом и подвесным электродвигателем.
Инициаторами разработки более совершенной конструкции с электродвигателем, встроенным в рукоятку стригальной машинки стали русские учёные Ю.И. Краморов, В.В Перчихин. Были изготовлены принципиально новые малогабаритные машинки МС-400, МС-200 и МС-200М с асинхронным трёхфазным короткозамкнутым электродвигателем переменного тока повышенной частоты, соответственно на 400 и 200 Гц. Наиболее удачные модели стригальных машинок впоследствии подверглись незначительной модернизации со стороны ГСКБ Ростовского машиностроительного завода и переданы в ГС КБ завода «Актюбинсксельмаш».
История развития машинной стрижки овец шла в основном по пути совершенствования конструкции стригальной машинки. Однако даже совершенная стригальная машинка не в состоянии резко разрешить в целом проблему повышения производительности труда, так как сам технологический процесс машинной стрижки почти не изменился и мало чем отличается от ручного. Труд стригалей по-прежнему остается самым трудоёмким и ответственным в сельском хозяйстве.
Анализируя вышеизложенное можно сказать, что машинная стрижка животных с помощью ручных электрических машинок остаётся основной в овцеводстве.
Увеличение производства сельскохозяйственной продукции невозможно без его технического перевооружения. Особое значение приобретают вопросы снижения себестоимости продукции и повышения рентабельности. Назрела необходимость в совершенствовании машинок для стрижки животных. Одним из
8 таких направлений является обеспечение качества технологического процесса стрижки и надежности нажимного механизма и режущих пар стригальной машинки. Повышение надежности в конечном итоге приводит к экономическому эффекту. Важно выбрать способ обеспечения надежности, при котором этот эффект будет максимальным. Решение проблемы надежности машинки для стрижки животных основано на расширении научно-исследовательских и конструкторских работ. Научная проблема заключается в разработке методов, технологий и технических решений, направленных на повышение надежности стригальных машинок и получении экономического эффекта.
Цель исследования - повышение надежности режущих пар и нажимного механизма стригальной машинки для животных.
Объектом исследования является процесс функционирования машинки для стрижки животных и ее наименее надежных узлов: нажимного механизма и режущих пар.
Предмет исследования - закономерности износов и показатели надежности, методы и способы повышения надежности стригальных машинок.
Таким образом, исходя из целей данной работы, определены основные задачи исследования:
Выявить причины возникновения отказов стригальных машинок и установить возможности повышения надежности ее деталей и узлов.
Обосновать показатели надежности нажимного механизма, режущих пар и кинематически связанного с ними эксцентрикового механизма и способы повышения их надежности. Выявить допустимые и предельные износы контрольных деталей нажимного механизма.
Разработать рекомендации по повышению и обеспечению надежности стригальных машинок с оптимизацией показателей безотказной работы нажимного механизма, режущих пар и эксцентрикового механизма.
Уточнить нормы расхода запасных частей для нажимного механизма и кинематически связанных с ним узлов.
Методы исследования: теоретический анализ факторов, влияющих на надежность стригальной машинки, разработка экономико-математической мо-
9 дели повышения надежности режущих пар машинки для стрижки овец, экспериментальное определение усилий прижима в нажимном механизме стригальной машинки, а так же, используя математический аппарат теории вероятностей, проводится расчет необходимых показателей надежности отдельных узлов и машинки в целом.
Научная новизна работы состоит в следующем: определены значения коэффициента скользящего трения в режущей паре в зависимости от усилия прижима в нажимном механизме стригальной машинки; выявлена закономерность между усилием прижима в нажимном механизме и износом кинематически связанных с ним узлов приводящая к снижению качества и производительности технологического процесса стрижки; определены структурные и диагностические параметры состояния нажимного механизма и кинематически связанных с ним узлов; изучена динамика изменения параметров и найдены предельные значения величины износа контрольных деталей нажимного механизма, определен их остаточный ресурс; определены нормируемые оценочные показатели безотказности и ремонтопригодности, единичные и комплексные показатели надежности режущих пар, нажимного и эксцентрикового механизма; проведен оптимизационный расчет надежности деталей стригальной машинки.
Практическая значимость: - предложены пути предотвращения и устранения отказов в условиях стригальных пунктов; - предложены способы повышения надежности деталей и узлов стри- гальной машинки;
10 На защиту выносятся:
Результаты анализа эксплуатационных отказов нажимного механизма стригальной машинки и кинематически связанных с ним эксцентрикового механизма и режущих пар.
Теоретические предпосылки по повышению надежности нажимного и эксцентрикового механизмов и режущих пар.
Результаты экспериментальных исследований нажимного механизма.
Метод повышения надежности деталей нажимного механизма и связанных с ним узлов и оптимизация показателей их надежности.
Рекомендации и организационные мероприятия обеспечения надежности стригальных машинок.
Исследование выполнено в ФГОУ ВПО «Азово-Черноморская государственная агроинженерная академия» по плану НИР и согласно программе РАСХН по проблеме 12.Механизация, электрификация и автоматизация, шифр 04.02. Разработать методы повышения надежности агрегатов и поддержания их работоспособности, координатор ГНУ ВНИПТИМЭСХ.
Разработанные рекомендации по обеспечению надежности стригального оборудования переданы в институт животноводства «Аскания-Нова» (Украина) и овцеводческие районы и хозяйства Ростовской области.
Влияние надежности нажимного механизма и режущих пар на технологический процесс стрижки овец
Стрижка овец трудоемкий и ответственный процесс. От того, насколько рационально оборудован стригальный пункт, какая принята технология и оборудование, во многом зависит количество, и качество получаемой шерсти. Стригальные машинки должны обладать значительной маневренностью, небольшой массой и габаритами, быть электробезопасными и, конечно, надежными.
Надежность технологического процесса стрижки с использованием высокочастотных стригальных агрегатов сравнительно не высока. При отказе стригальной машинки снижается производительность стригального пункта, затягиваются сроки стрижки, что приводит к дополнительным материальным затратам. Наиболее часто прерывается технологический процесс стрижки из-за отказа режущих пар. В режущей паре ненадежным элементом является гребенка. Так же режущая пара имеет низкую износостойкость, на которую влияют материал, геометрия режущей пары и качество заточки. А износостойкость непосредственно связана с надежностью работы стригальной машинки. Необходимо снизить энергозатраты на резание обеспечением по всей длине кромки ножа трения со скольжением.
Стригальная машинка во время стрижки находится в руке стригаля и при перемещении должна все время касаться гребенкой тела животного. На качество работы влияют физико-механические свойства и расположение шерсти, скорость перемещения машинки, угол наклона машинки и режущей пары к остригаемой поверхности, число двойных ходов ножа, конструкции режущих пар, вибрация стригальной машинки и другие.
Основным параметром, влияющим на качество среза шерсти, является острота лезвия. Она характеризуется толщиной режущей кромки. Чем острее лезвие, тем больше удельное давление можно оказать на материал. По мере затупления лезвия увеличивается расход энергии, снижаются качественные показатели процесса резания и производительность труда стригаля. Затупление происходит под воздействием 2-х факторов: трения рабочих поверхностей ножа и гребенки и собственно резания шерсти. Чем острее лезвие, тем меньше энергии требуется на резание материала, а это способствует повышению производительности. Уменьшение остроты лезвия ножа и гребенки происходит под действием силы со стороны нажимного механизма, когда нож находится над промежутком между двумя зубьями гребенки. Зуб деформируется и проваливается в этот момент в промежуток. Вследствие этого создается сопротивление движению ножа по отношению к гребенке. Следовательно, чем дольше режущая пара сохраняет свои рабочие способности, т.е. чем она надежнее, тем выше производительность технологического процесса стрижки и его качество.
Конструктивного совершенствования требует так же нажимной механизм стригальной машинки. Существующий нажимной механизм с наклонным расположением стержня упорного, является неудачным. Горизонтальная составляющая силы прижима ножа к гребенке, при наклонном расположении стержня упорного, выталкивает рычаг из корпуса стригальной головки, что приводит к преждевременному износу сферы центра вращения рычага и нарушению нормального режима работы стригальной машинки. Необходимо исключить односторонний износ центра вращения рычага и сохранить постоянство прижима ножа по всей ширине гребенки, например, сделать прижим прямым.
Надежность нажимного механизма существенно влияет как на энергетические затраты, так и на качество стрижки. При недостаточном усилии прижима ножа к гребенке на коже овцы остаются полосы повышенного среза шерсти, а при повторном проходе машинки по этому месту появляется «перестрига» или сечка. При чрезмерном усилии прижима начинает нагреваться режущая пара, нажимной и передаточный механизмы, а также перегревается от перегрузки электродвигатель /1/.
Это происходит вследствие того, что в процессе эксплуатации изменяются геометрические размеры деталей нажимного механизма. Первоначально верхняя головка упорного стержня совпадает с геометрической осью центра вращения рычага и, перемещаясь по образующей конуса, стержень оказывает одинаковое усилие прижима в среднем и крайнем положениях рычага. Однако по мере износа (укорачивания) стержня верхняя головка отходит от вершины конуса, в результате чего, в среднем положении рычага усилие прижима соответствует норме, а в крайних положениях нож прижимается к гребенке недостаточно и качество стрижки ухудшается. Это приводит к размыканию ножа с гребенкой в крайних положениях, вызывающему защемление шерсти или забивание ею, к повышению динамических нагрузок в звеньях механизма за счет их податливости, приводящих к поломке деталей или выходу их из строя. При этом отмечаются упругие колебания всей системы.
Экономическая эффективность повышения надежности режущих пар
Гребенки относятся к невосстанавливаемым изделиям и при их производстве, а также производстве других невосстанавливаемых изделий, при необходимо повысить их надежность, предпринимают определенные меры.
Для сравнения возьмем старый (или базовый) вариант - без внедрения данного мероприятия по повышению надежности и новый - с внедрением.
Показатель степени в модели (2.7) а 0, следовательно, повышение надежности сопряжено с дополнительными затратами.
Эти затраты по повышению надежности окупаются увеличением срока службы режущей пары или другого изделия за некоторое время г, называемое сроком окупаемости. Чем гменьше, тем больше экономический эффект.
Срок окупаемости находится из выражения /43/ где Э, - экономический эффект, получаемый через / лет после внедрения в производство мероприятия по повышению надежности; Л - годовой выпуск продукции, единиц; Ло, Л - интенсивности отказов по старому и новому вариантам; С0, С- себестоимость режущей пары по старому и новому вариантам, руб.
Целесообразно рассчитывать экономический эффект от вложения средств в повышение надежности. Для этой цели используется математическая модель
Оптимизация вероятности безотказной работы по составляющим элементам машинки и резервирование деталей Наработка на отказ изделия зависит от наработки на отказ составных частей. Для изделий, имеющих в основном структуру: машина - сборочная единица - деталь, требования по надежности необходимо распределять от машины к сборочной единице и затем к деталям. Очевидно, что показатели надежности детали (ресурс и вероятность безотказной работы) обусловливают значения наработки на отказ сборочной единицы и машины в целом. Следовательно, необходимо перейти от распределения наработки на отказ к распределению вероятности безотказной работы стригальной машинки между сборочными единицами (нажимной механизм, режущие пары, эксцентриковый механизм) и далее -между деталями (стержень упорный, патрон нажимной, гребенки и др.). Стригальная машинка представляет собой систему, состоящую из последовательно соединенных элементов. Ее надежность определяется числом этих элементов и надежностью каждого из них. Поэтому для повышения надежности машинки необходимо увеличить надежность каждого элемента.
Существуют различные приемы распределения норм показателей надежности: по принципу равнонадежности элементов; с учетом существующего соотношения показателей надежности элементов; с учетом перспектив совершенствования элементов; с учетом стоимости проектирования производства и эксплуатации элементов. Выбор того или иного способа распределения норм надежности зависит от имеющейся информации об объекте, надежность которого необходимо повысить.
В данной работе применяется принцип равноущербности сборочных единиц (деталей) за срок службы машины /18/. Данный принцип подразумевает тем более высокий назначаемый уровень требований к надежности сборочной единицы (детали), чем выше ущерб от ее отказа. Так как сборочные единицы машинки различны по конструкции, трудоемкости изготовления и обслуживания и в итоге отличаются затратами на один отказ, то правило равновероятности отказов в данном случае некорректно. Очевидно, что между затратами от одного отказа сборочной единицы и вероятностью безотказной работы должна быть функциональная связь. Тогда можно сформулировать условие равенства затрат от отказов сборочной единицы за ресурс машинки /1/.
Методика сбора данных и оценка показателей надежности по результатам наблюдений
Если v 0,30 - выбирается закон нормального распределения, если v 0,50 - закон распределения Вейбула, если 0,30 v 0,50 - выбирается тот закон, который обеспечивает лучшее совпадение с распределением опытной информации.
Для определения степени расхождения опытной и теоретической вероятностей используется критерий согласия Пирсона
Вероятности Р совпадения опытных и теоретических данных определяется по критерию х и таблицам. Критической вероятностью совпадения выбранного закона распределения является вероятность Р = 10%.
По данным испытаний определяются: коэффициенты готовности Кг, оперативной готовности Ког и коэффициент технического использования Кти — по методикам, изложенным в ГОСТах, ОСТах, РТМ и других документах, а также находятся законы распределения времени наработки и времени восстановления эксплуатационных отказов и проводится проверка согласно эмпирическому и теоретическому закону распределения времени (по методике, изложенной в работе А.И. Селиванова и Ю.Н. Артемьева /84/).
Коэффициенты готовности, технического использования и оперативной готовности стригальной машинки МСУ-200А определяются по формулам /1,18,68/:
Методика определения усилий в нажимном механизме стригальной машинки Программа эксперимента включает в себя измерение прижимного усилия в нажимном стержне и определение значения коэффициента скользящего трения ножа по поверхности гребенки, а также оценке неравномерности прижимного усилия при различном положении режущей пары в новом, не подверженном износу нажимном механизме.
Измерение усилий осуществляются образцовыми динамометрами ДО-100 и ДО-25. Динамометр с пределом измерений до 1000Н (100 кгс) используется для измерений усилия в нажимном стержне. Цена деления ЮН (1 кгс). Погрешность измерения оставит 5Н или 0.5 кгс. Расположение динамометров показано на рисунке 3.1.
Усилие измеряется непосредственно в деталях нажимного механизма, т.к. ось динамометра ориентирована вдоль стержня нажимного. Усилие нажима создается болтом через специальную рамку с шариком, для чего на патроне сделана лунка. Усилие сдвига ножа относительно гребенки фиксировалось динамометром с меньшим диапазоном измерений. Ось динамометра во время измерений ориентирована перпендикулярно продольной оси рычага.
При оценке неравномерности прижима измерялось усилие в стержне при среднем положении рычага (нейтральное положение) и при крайних правом и левом.
Необходимо измерения повторить не менее 3-х раз для обеспечения достаточной надежности опытов, а при оценке неравномерности прижима принята пятикратная повторность. По данным наблюдений производится статистическая оценка ряда чисел с расчетом дисперсии и определением среднеквадрати-ческого отклонения и математического ожидания значений по известным методикам /4,62,84/. Данные измерения усилий в стержне нажимном и определения значения коэффициента скользящего трения ножа по гребенке сведены в таблицу 4.3.
Оценка прижимного усилия в нажимном механизме. Определение коэффициента скользящего трения ножа по гребенке
Используя полученные нами данные в процессе микрометража контрольных деталей, можно прогнозированием по параметру их состояния определить остаточный ресурс деталей /52,54,59/.
Известны размеры контрольных деталей на начало испытаний. Микрометраж проводился через 56 и 100 часов наработки /32/. Для расчетов возьмем наработку от начала эксплуатации деталей до момента диагноза tM =100 часов.
Изменение параметра U(t) к моменту диагноза тоже известно /32/. Исследования /52/ показывают, что предельные ухудшения технико — экономических показателей машин и их узлов наступают в основном на линейном участке изменения износов во времени. Для каждой контрольной детали построим линейные зависимости износа (рисунки 4.17...4.19).
Остаточный ресурс при этом определяется по формуле 1X1 где U(t) = n(t) - Пи - изменение параметра при его возрастании с увеличением наработки, в обратном случае U{t) = Пн - n(t); Uп = Пп - Пи - предельное изменение параметра в случае, когда ПП ЛН; Здесь Пп - предельное значение параметра; Пн - номинальное значение параметра; /7(/) или П3 - замеренное значение параметра; а — показатель степени функции изменения параметра. Значения показателя а для различных параметров состояния узлов и механизмов для сельскохозяйственных машин табулированы (по данным ГОСНИТИ) /53/.
Предельный износ стержня упорного найден экспериментально (смотри п.4.2), он равен //7=3,5 мм. При расчете остаточного ресурса эти данные подставлены в формулу (4.2). Для других деталей значения предельного изменения параметра взяты из схем (рисунки 4.17...4.19) для патрона нажимного стально 77
го и металлокерамического показатель одинаков: ///=1,5 мм; для подпятника стержня упорного (металлокерамика) 7/7=1,8 мм.
Подставив полученные значения Un для контрольных деталей в формулу 4.1, получим следующие показатели остаточного ресурса: стержень упорный: Кет =202 ч.; патрон нажимной: tocm =168 ч.; подпятник стержня упорного: / =168ч.
Обработка информации о показателях надежности Некоторые из существующих методов обработки опытной информации (например, метод максимального правдоподобия) сложны, трудоемки и их использование для обработки информации о надежности сельскохозяйственных машин и тракторов затруднено и нецелесообразно. Использованный в данной работе метод обработки информации прост и надежен /84/. Расчет производим по методике, изложенной в главе 3, используя данные таблицы 4.5. Таблица 4.5 — Количество отказов по интервалам наработки деталей нажимного механизма, режущих пар и кинематически связанного с ними эксцентрикового механизма Составляем статистический ряд. Количество интервалов не должно выходить за пределы и=6-20.
В нашем случае показателем надежности нажимного механизма и режущих пар является наработка Т. Общая наработка агрегата ЭСА-12/200 за период испытаний составила 395 часов. Для удобства расчетов число интервалов п принимаем равное 7. Все интервалы статистического ряда должны быть равны по величине, и не иметь разрывов.
Начало первого интервала выбираем так, чтобы начальная точка информации - 80 часов, находилась примерно на его середине. В данном случае удобно выбирать величину интервала А=50 часов. За начало первого интервала принимаем наименьшее значение показателя надежности 50 часов (t]K = 50 ч).
В первой строке статистического ряда указывают границы интервалов в единицах показателя надежности; во второй - число случаев попадающих в каждый интервал; в третьей - опытную вероятность появления показателя надежности в каждом интервале Р.; в четвертой строке - накопленную (интегральную) опытную вероятность.
