Обеспечение работоспособности и ресурсосбережения при восстановлении и упрочнении сложнопрофильных шлицевых деталей накаткой (на примере шлицевых деталей автотракторных карданных передач)
| Вид материала | Автореферат |
- Исследование тепловых эффектов экзотермических реакций при термодиффузионном упрочнении, 113.6kb.
- Отяга модели 7А623 предназначен для обработки протягиванием разнообразных сквозных, 204.81kb.
- Моделирование и динамическая стабилизация нановыглаживания прецизионных поверхностей, 151.88kb.
- Программа вступительного экзамена в аспирантуру по специальной дисциплине 05. 02., 266.3kb.
- Механическая обработка, 11.65kb.
- 3 Допуски и посадки деталей машин и механизмов, 86.91kb.
- Особенности плазменной закалки крупногабаритных деталей из чугуна Батрак В. В., Веремейчик, 55.51kb.
- Задачи календарного планирования (теории расписаний, 162.35kb.
- Семинар на тему Оценка технологичности конструкций деталей, изготавливаемых, 461.77kb.
- Клепочное соединение, 38.71kb.
На правах рукописи
Годунов Николай Борисович
ОБЕСПЕЧЕНИЕ РАБОТОСПОСОБНОСТИ И РЕСУРСОСБЕРЕЖЕНИЯ ПРИ ВОССТАНОВЛЕНИИ И УПРОЧНЕНИИ СЛОЖНОПРОФИЛЬНЫХ ШЛИЦЕВЫХ ДЕТАЛЕЙ НАКАТКОЙ (НА ПРИМЕРЕ ШЛИЦЕВЫХ ДЕТАЛЕЙ АВТОТРАКТОРНЫХ КАРДАННЫХ ПЕРЕДАЧ)
Специальность 05.20.03 – Технологии и средства технического
обслуживания в сельском хозяйстве
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
доктора технических наук
Саратов 2010
Работа выполнена в Федеральном государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Саратовский государственный аграрный университет им. Н.И. Вавилова».
| Официальные оппоненты: | доктор технических наук, профессор Цыпцын Валерий Иванович, доктор технических наук, профессор Истомин Сергей Викторович, доктор технических наук Кулаков Александр Тихонович |
| Ведущая организация | ФГОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет» |
Защита диссертации состоится «23» июля 2010 г. в 12 часов на заседании диссертационного совета Д 220.061.03 при ФГОУ ВПО «Саратовский государственный аграрный университет им. Н.И. Вавилова» по адресу: 410056, г. Саратов, ул. Советская, 60, ауд. 325.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГОУ ВПО «Саратовский государственный аграрный университет им. Н.И. Вавилова».
Отзывы на автореферат направлять по адресу: 410012, г. Саратов, Театральная пл., 1, ученому секретарю диссертационного совета.
Автореферат диссертации разослан «__»________2010 г.
Ученый секретарь совета
по защите докторских
и кандидатских диссертаций Н.П. Волосевич
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Важным резервом повышения эффективности использования техники, экономии материальных и топливно-энергетических ресурсов и наряду с этим ресурсосбережения и экологической защиты окружающей среды является восстановление изношенных деталей.
В сельском хозяйстве порядка 95 % основных производственных фондов имеют промышленное происхождение; и они создаются в других отраслях народного хозяйства. Поэтому резкое удорожание сельскохозяйственной техники и запасных частей к ней на современном этапе ведет к удорожанию сельскохозяйственной продукции. Ценовой диспаритет и слабая государственная поддержка сельскохозяйственных производителей являются причинами диспропорции доходной составляющей сельскохозяйственного производства – по сложившейся цене продукта он не реализуется, а по заниженной цене – теряется смысл его производства. Все это дополнительно усугубляется нынешними кризисными явлениями.
Приобретение новой дорогостоящей техники для большинства хозяйств не представляется возможным по причине современной финансовой несостоятельности, а старое оборудование не может решить проблему технического обеспечения производства; низкая его производительность, частые отказы и необходимость их постоянного устранения приводят к значительным финансовым потерям, растянутым по времени, что в итоге приблизительно равнозначно. Это, несомненно, повышает себестоимость производимой продукции, резко снижает конкурентоспособность отечественной сельскохозяйственной продукции.
При литье заготовок выход годных деталей не превышает 65 – 68 %, при этом порядка 6 – 7 % металла выгорает – безвозвратные сырьевые потери значительны. Не менее значительны и энергетические потери из-за постоянного необоснованного повышения тарифов, которые превышают экономически целесообразные величины.
Переработка металлолома на металлургических заводах сопровождается вредными экологическими последствиями: при производстве 10 млн т стали в год выбросы оказывают вредное воздействие на площадь порядка 250 тыс. га.
Восстановительные же технологии обладают значительными потенциальными возможностями, так как наряду с возобновлением ресурса деталей активно используется и их остаточный ресурс, они прогрессивны также по показателям материалоемкости, так как объемы поверхностей деталей, не подвергающиеся изменениям при эксплуатации, как правило, многократно превышают объемы, приходящиеся на износ. Исходя из этого, проблема активного использования прогрессивных безотходных технологий восстановления деталей в нынешних условиях резко возрастает. Существенный научно-исследовательский вклад в разработку технологий, оборудования и оснастки для возобновления ресурса изношенных деталей внесли такие ученые, как Д.Г. Вадивасов, М.Н. Ерохин, Б.П. Зогородских, В.И. Казарцев, И.С. Левитский, В.П. Лялякин, Ю.Н. Петров, Ю.Д. Пашин, Ф.Я. Рудик, А.И. Селиванов, В.В. Стрельцов, И.Е. Ульман, В.А. Шадричев, В.И. Цыпцын, М.И. Черновол и др.
В связи с этим исследования, направленные на повышение качества восстановления ресурсообеспечивающих сложнопрофильных деталей путем применения современных высокоэффективных технологий, являются актуальными и практически значимыми для экономики агропромышленного комплекса страны.
Актуальность работы подтверждается также и тем, что она выполнялась в соответствии с планами развития Саратовской области по научному направлению 1.2.9. «Комплексная региональная программа научно-технического прогресса в агропромышленном комплексе Поволжского экономического региона» на двадцать лет до 2010 года (№ ГР 840005200), по комплексной теме № 5 НИР СГАУ им. Н.И. Вавилова «Повышение надежности и эффективности использования мобильной техники в сельском хозяйстве» и планам НИОКР ОАО «Ульяновский автомобильный завод»
Научная проблема Поставленная в работе проблемная ситуация заключается в том, что существующие научно-технические решения не позволяют обеспечить восстановление шлицевых деталей высокими, соответствующими нормативным, показателями прочности. В диссертации предложены принципиально новые процессы, основанные на размерном перемещении запасов металла деталей и формировании профиля шлицев с возобновлением ресурса передачи.
Цель работы: повышение работоспособности сложнопрофильных шлицевых деталей автотракторных карданных передач путем разработки прогрессивных ресурсосберегающих технологий их восстановления и упрочнения.
Объект исследования: шлицевые детали карданных передач автомобилей ЗИЛ, ГАЗ и УАЗ.
Предмет исследований: закономерности формообразования шлицевых втулок и валов при их восстановлении накаткой с перемещением запасов металла с нерабочих поверхностей на изношенные шлицы и их размерным профилированием.
Научные положения и результаты, выносимые на защиту:
- Закономерности условий работы и износа шлицевых поверхностей деталей карданных передач.
- Математическое описание эффективности технологических процессов восстановления деталей пластической деформацией с гарантированным обеспечением качественных и ресурсосберегающих показателей.
- Расчетно-теоретические методы обоснования и назначения технологических параметров и режимов при восстановлении шлицевых втулок и валов.
- Параметры управляющих технологических воздействий, обеспечивающих увеличение ресурса и ресурсосбережения восстановленных шлицевых деталей накаткой с профилированием поверхностей.
- Способы, устройства, технологические процессы, технико-экономические и ресурсосберегающие показатели эффективности восстановления сложнопрофильных шлицевых поверхностей накаткой с профилированием шлицев.
Научная новизна работы заключается в комплексном подходе к решению проблемы возобновления ресурса сложнопрофильных шлицевых втулок и валов, в результате чего:
- Теоретически обоснована технико-экономическая целесообразность восстановления сложнопрофильных шлицевых деталей методом накатки с профилированием шлицев, обеспечивающим высокое качество и эффективность технологического процесса.
- Исследованы и теоретически проанализированы схемы формообразования и напряженно-деформированного состояния процесса восстановления деталей накаткой с профилированием шлицев, необходимые для проектирования оснастки и разработки технологических процессов.
- Разработаны математические модели напряженно-деформированного состояния, оптимизирующие технологические режимы восстановления сложнопрофильных шлицевых поверхностей накаткой с профилированием шлицев.
- Разработаны комплекты оборудования и оснастки для восстановления сложнопрофильных шлицевых втулок и валов накаткой с профилированием шлицев.
Практическая ценность работы состоит в том, что в результате проведенных исследований:
- Разработаны технологические направления восстановления сложнопрофильных шлицевых деталей накаткой, обеспечивающие возможность комплексного устранения износных дефектов с возобновлением ресурса без использования дополнительных компенсирующих износ материалов.
- Созданы принципиально новые технологические процессы и оснастка для восстановления сложнопрофильных поверхностей накаткой с размерным профилированием на доступном универсальном оборудовании.
- Появилась возможность анализировать, рассчитывать, выбирать и назначать рациональные конструктивные параметры оснастки, инструмента и технологические режимы для профилирующей накатки шлицевых деталей при их восстановлении.
Реализация результатов работы. Технологические процессы с комплектами оснастки для восстановления шлицевых деталей карданных передач накаткой с размерным профилированием шлицевых поверхностей внедрены и прошли проверку на предприятиях:
- ОАО «Новозахаркинский ремонтный завод» (1996 г.);
- ОАО «Саратовский ГПЗ» (1999 г.);
- ОАО «КамАЗ» (1999 г.);
- ОАО «Ульяновский автомобильный завод» (2008–2009 гг.);
- «Автоваз» (2009 г.).
Материалы работы используются в лекционных курсах, курсовом и дипломном проектировании студентами ФГОУ ВПО «СГАУ им. Н.И. Вавилова».
Апробация работы. Материалы исследований были доложены, обсуждены и получили положительную оценку:
- на научных конференциях профессорско-преподавательского состава СИМСХ и СГАУ им. Н.И. Вавилова (Саратов, 1997–2009);
- на Международных конференциях «Вавиловские чтения» (Саратов 2007–2009);
- на Международных конференциях к юбилейным датам профессоров Красникова В.В., Рыбалко А.Г. и Вадивасова Д.Г. (Саратов 2008–2009);
- на научно-техническом совете Саратовского государственного подшипникового завода № 3 в (1993);
- на научно-техническом совете ОАО «Автоваз» (2009);
- на научно-техническом совете ОАО «Ульяновский автомобильный завод»(2009);
- на Международной конференции Санкт-Петербургского технического университета
(Санкт-Петербург 2007);
Публикации. По теме диссертации опубликованы 28 печатных работ, в том числе: 1 монография с подробным изложением материалов работы, 1 рекомендации, 11 статей в журналах, рекомендованных ВАК РФ, 1 патент на изобретение и 1 патент на полезную модель. Общий объем печатных работ составляет 13,65 п. л., из них лично автору принадлежит 9,54 п. л.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести разделов, выводов, списка использованной литературы из 209 наименований и приложений на 32 страницах. Содержит 235 страниц текста, в том числе 14 таблиц, 83 рисунка.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы, дана общая характеристика направления исследований, изложены научные положения и результаты работы, выносимые на защиту.
В первом разделе «Постановка проблемы, цель и задачи исследования» рассмотрены особенности работы деталей шлицевых передач, выполнен обзор и анализ существующих способов их восстановления.
Исходя из анализа динамических составляющих работы шлицевого соединения сделаны следующие заключения о износном состоянии и событиях, интенсифицирующих износ: наиболее активное воздействие на работоспособность шлицевых деталей оказывают контактные напряжения
, вызывающие изменение размера зуба по ширине; изгибающий момент 
, возникающий при передаче зубом крутящего момента, вызывает усталостное разрушение зуба у его основания; несовпадение осей шлицевых деталей, имеющее место при увеличении межшлицевого зазора, ведет к изменению размера зуба по высоте; постоянное перемещение шлицевого вала в шлицевой ступице при эксплуатации ведет к неравномерному износу зуба по ширине и высоте по всей его длине; интенсивность изнашивания шлицевых деталей в функции времени от наложения последствий износа резко ускоряется.Надежность шлица по контактной прочности определяется вероятностью события, когда контактные напряжения меньше предела контактной выносливости. Это говорит о том, что в случае массового производства и восстановления при работе шлицевых соединений в одинаковых условиях их надежность определяется в вероятностно-статистической форме. Очевидно, что даже в условиях промышленного производства добиться какого-то постоянного равновесного состояния в событии очень сложно. Вероятность того, что лимитируемая нагрузка меньше прочности,
,не представляется возможной. Даже в случае изменения нагрузочного состояния
легко добиться высокой надежности за счет обоснованного выбора состояния предела контактной выносливости
шлицевого соединения, зависящего от воспринимаемой нагрузки.Для случая возобновления работоспособности шлицевого соединения величина контактной нагрузки
в своем интервальном состоянии остается неизменной, а вот предел контактной выносливостивсецело зависит от размеров шлицевого соединения и принятого способа восстановления. Очевидно, что способ восстановления должен обеспечивать высокую прочность поверхности, оптимальное напряженное состояние по профилю и основанию шлица и, что очень важно, соответствующую воспринимаемым нагрузкам прочность на изгиб. Повышение твердости поверхности зуба ведет к уменьшению прочности на изгиб, а, уменьшение твердости в свою очередь, к уменьшению износостойкости профиля.В исследовательской практике существует несколько способов оценки контактной и изгибной прочности шлицев, основанных на применении полуэмпирических формул, полученных по результатам эксперимента или путем использования реальной схемы нагружения шлица, имеющего аналитико-численное решение.
Первый подход не универсален, и в нашем случае его использование, когда необходима аналитическая оценка способов восстановления шлицевой поверхности, не представляется возможным.
Второй подход универсален, и им, по нашему представлению, с достаточной степенью точности можно охарактеризовать возможность той или иной технологии восстановления шлицевых поверхностей.
По условиям работы максимальный крутящий момент на ведомом валу коробки перемены передач возникает при подключении первой передачи, следовательно, и расчет максимальной нагрузки должен вестись для этого варианта нагружения.
Усилие Т и его составляющие P и R приводят к возникновению изгибающих нагрузок. Максимальный суммарный изгибающий момент М∑ зависит от максимальных моментов в условных вертикальной Миз.в и горизонтальной Миз.г плоскостях:
(1)Приведенный момент Мпр учитывает дополнительно крутящий момент:
(2)Отсюда следует, что нагрузки, приходящиеся на шлицевой вал карданной передачи, идентичны нагрузкам ведомого вала, и тогда
(3)Величина крутящего момента Мкр, Нм, позволяет исследовать размер диаметра сечения детали:
(4)где
момент сопротивления сечения цилиндра; [τкр] – предельно допустимые напряжения при кручении, Нм.Следовательно оптимальный диаметр вала карданной передачи dв, м, равен
(5)Выражение (5) дает простейшее заключение о диаметре гладкого состояния вала, следовательно, расчетную формулу необходимо дополнить шлицами как элементами сечения вала, а это в свою очередь позволит рассчитать их основные размеры – ширину шлица – δ, высоту шлица – t и длину – l . Данные расчеты необходимы для последующего обоснования наличия в шлицевых деталях запасов металла, перемещаемых с целью компенсации износа и создания припусков на механическую зубопротяжную и зубофрезерную операцию с обеспечением нормативных прочностных показателей передачи.
Шлицы при передаче крутящего момента испытывают напряжения смятия и среза (рисунок 1).
Рисунок 1 – Схема для анализа прочностных параметров шлицевого соединения
Площадь поверхности шлица Sбок, м2, на которой возникают напряжения смятия, определяется по формуле
(6)
где z – число зубьев; l – длина шлицевой детали; t – высота шлица.
Окружное усилие, вызывающее смятие шлица, определяется исходя из условия его приложения к средней линии шлица, тогда величина окружного усилия определится выражением
(7)
В свою очередь предельно допустимая величина окружного усилия Рпр, ограничивается допустимым напряжением смятия [σсм] материала, тогда
(8)где φ – коэффициент, учитывающий нормативную нагрузку:
Из выражения (8) определяется рекомендуемая длина шлица l. мм:
(9)
Допустимое изменение сечения размера от шлица D до полости вала D1 определяется из равенства
(10)Проведенный анализ прочностных составляющих шлицевых деталей карданных передач показал на достаточно высокий запас их прочности, причем уменьшение размера толщины стенки внутренней нерабочей поверхности ступицы возможно с 6,875 до 4,425 мм, т. е. в 1,55 раза, уменьшение внешней нерабочей поверхности втулки с 4,9 до 2,5 мм, т. е. в 1,96 раза.
Следовательно, анализ прочностных показателей изношенных шлицевых деталей карданных передач указывает на наличие достаточного для восстановления деталей запаса металла с соблюдением нормативных прочностных показателей.
В пользу целесообразности восстановления говорит и возможность ресурсосбережения.
В нашем случае анализируется второй уровень ресурсосбережения, проявляющийся в период эксплуатации техники. Специфика данного случая вытекает из потребляемых ресурсов. Ряд ресурсов в процессе изготовления техники потребляются полностью (металл, энергетические ресурсы и пр.), другие же ресурсы потребляются частично, и остаточная часть их может быть использована с высокой степенью эффективности.
Не следует пренебрегать и последствиями третьего уровня ресурсосбережения, когда отходы от производственной деятельности ложатся тяжким грузом на окружающую среду.
Рациональное хозяйствование предполагает полное использование трудовых, материальных, энергетических, финансовых и прочих ресурсов.
Принято, что существенным моментом при исследовании технологических процессов восстановления сложнопрофильных деталей является соблюдение как прочностных показателей, обеспечивающих высокую надежность передачи, так и ресурсосберегающих, обусловливающих экономическую целесообразность восстановления.
При этом важной составляющей этой научной проблемы является теоретическое обоснование закономерностей формообразования при исследовании кинематики и динамики перемещения металла из нерабочих зон и формирования размеров восстанавливаемых поверхностей.
На основании поставленной цели в работе сформулированы и решались следующие задачи:
- Исследовать характер работы шлицевых соединений карданных передач, выявить закономерности, обусловливающие причины и характер возникновения дефектного состояния, проанализировать имеющиеся способы восстановления и дать качественную оценку их технической состоятельности.
- Теоретически и экспериментально исследовать износное состояние профиля, обосновать возможность изменения нерабочих размеров шлицевых деталей с целью назначения поверхностей с наличием запасов металла для компенсации износа и создания припусков на механическую обработку.
- Теоретически исследовать и обосновать процессы формообразования при перемещении запасов компенсирующего износ металла, напряженно–деформированное состояние деталей при накатке с размерным профилированием шлицев.
- Разработать математические модели выбора рациональных режимов накатки с профилированием шлицевых поверхностей; ресурсосберегающей технологии восстановления и упрочнения деталей.
- Исследовать физико-механические, геометрические и структурные составляющие качества и эффективности восстановления шлицевых деталей накаткой.
- Представить элементы конструктивного решения оснастки для восстановления внутренних и внешних шлицевых поверхностей накаткой, провести их производственную апробацию и дать технико-экономическую оценку результатов работы.