Теоретичні основи вдосконалення верстатного обладнання для тропіків та субтропіків

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ

"КИЇВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ"

УДК 621.9 (213.5)

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук

ТЕОРЕТИЧНІ ОСНОВИ ВДОСКОНАЛЕННЯ МЕТАЛОРІЗАЛЬНОГО ОБЛАДНАННЯ ДЛЯ ТРОПІКІВ І СУБТРОПІКІВ

Спеціальність 05.03.01 - Процеси механічної обробки верстати та інструмент

Петренко Володимир Анатолійович

Київ - 1999

Дисертація є рукопис

Робота виконана на кафедрах "Металорізальні верстати та системи" Кіровоградського державного технічного університету та "Конструювання верстатів та машин"Національного технічного університету України "Київський політехнічний інститут"

Міністерство освіти України

Науковий консультант:

доктор технічних наук, професор

Струтинський Василь Борисович,

НТУУ "КПІ", зав. каф. Конструювання верстатів та машин

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Бугай Юрій Миколайович, Президент міжнародного науково - технічного університету України;

доктор технічних наук, професор Михайлов Олег Миколайович, Донецький державний технічний університет, зав. каф. технології машинобудування;

доктор фізико-математичних наук, професор Горошко Олег Олександрович, Київський національний університет ім. Тараса Шевченка, каф. теоретичної і прикладної механіки

Провідна установа: Одеський державний технічний університет

Захист відбудеться " 22 " 03 1999 року о 1500 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д26.002.11 в Національному технічному університеті України "Київський політехнічний інститут" за адресою: 252056, м. Київ, проспект Перемоги 37, корпус 1, ауд. №214

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Національного технічного 22університету України "Київський політехнічний інститут".

Автореферат розісланий " 22 " 02 1999 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Петраков Ю.В.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

верстат тропічний автоколивання корозія

Актуальність проблеми. Сучасний стан верстатобудівної галузі промисловості України характеризується різким зменшенням замовлень на верстатне обладнання, що випускається. Розширення сфери збуту верстатного обладнання можливе в держави, що розвиваються (Азії, Африки, Латинської Америки), більшість яких знаходяться в тропічних і субтропічних кліматичних зонах із значним забрудненням оточуючого середовища. Експлуатація обладнання в цих країнах часто проводиться в мало пристосованих приміщеннях, при низькій кваліфікації спеціалістів. Тому ці держави потребують надійного, невимогливого в експлуатації і порівняно дешевого обладнання.

Стандарти, рекомендації і результати досліджень, виконані до даного часу, не дозволяють у повній мірі вирішувати проблеми вдосконалення верстатного обладнання, призначеного для роботи в умовах тропічного і субтропічного клімату. Для якісного вдосконалення верстатного обладнання, яке постачається в держави з тропічним і субтропічним кліматом, необхідні комплексні дослідження, котрі можуть бути виконані при наявності надійної теоретичної бази. Тому дослідження, спрямовані на розробку теоретичних основ верстатного обладнання, що постачається в держави з тропічним і субтропічним кліматом, являються актуальними. Саме цій проблемі присвячено дисертаційну роботу. Вона включає розробку важливої наукової проблеми, рішення якої має загальнодержавне значення і сприяє розвитку верстатобудівної промисловості України.

Мета роботи: Розробка теоретичних основ підвищення надійності роботи металорізального обладнання, що поставляється в країни з тропічним та субтропічним кліматом.

Задачі дослідження. Поставлена мета роботи реалізована шляхом вирішення таких задач:

1. Визначення закономірностей зміни температури в умовах тропічного та субтропічного клімату, особливостей термічних режимів роботи верстатного обладнання та вплив їх на показники якості верстатів.

2. Визначення закономірностей детермінованих змін температури та статистичних характеристик флуктуацій температури протягом доби, температуро-вологісного режиму, що виникає у порожнинах верстатів, та вплив їх на параметри точності металорізального обладнання.

3. Вивчення закономірностей робочих процесів проникнення та кумуляції агресивних розчинів та конкрементів у щілини та порожнини, та вплив їх на точність верстатів.

4. Виявлення закономірностей накопичення агресивних речовин у порожнинах верстатів та надання рекомендацій по конструкторському рішенню вузлів верстатів.

5. Вивчення нелінійних автоколивань, що виникають при тривалому транспортуванні в окремих вузлах та вплив їх на точність верстатів.

6. Наукове обґрунтування заходів для поліпшення умов збереження деталей верстатного обладнання від корозії і забезпечення їхньої працездатності в умовах тропіків і субтропіків.

7. Розробка конструктивних пропозицій по вдосконаленню верстатного обладнання, що постачається в держави з тропічним і субтропічним кліматом.

8. Розробка методів і методик випробовувань та спеціального устаткування, що дозволяє проводити апробацию верстатів, які поставляються в держави з тропічним і субтропічним кліматом.

Наукова новизна роботи. В результаті проведеної роботи встановлено:

крім регламентації максимальної температури та вологості роботи металорізального обладнання в умовах тропічного та субтропічного клімату найбільш несприятливим фактором впливу зовнішнього середовища є зміна температури, яка впливає на показники якості верстатів. Запропоновано враховувати швидкість зміни температури зовнішнього середовища введенням універсального нормалізованого закону, в якому зміна температури має вигляд, наближений до трапецієвидного імпульсу, параметри якого одержано шляхом теоретичного узагальнення зміни температурних умов різних країн;

закономірності детермінованих змін температури та статистичні характеристики флуктуації температури в умовах тропіків та субтропіків і показано, що при зміні температури протягом доби в порожнинах верстатів виникають нестаціонарні стохастичні температуро-вологісні режими, які впливають на параметри точності металорізального обладнання і відповідають суперпозиції широкополосного спектра температурних хвиль та випадкових флуктуацій температури, в результаті вперше запропоновано метод та методику розрахунку й оцінки флуктуацій температурно-вологісних умов всередині верстата;

закономірності робочих процесів проникнення та кумуляції агресивних речовин у порожнинах верстатів і доведено, що утворення і накопичення агресивних розчинів та конкрементів у щілинах і порожнинах верстата є вкрай небезпечним фактором, який приводить до різкого зниження точності роботи та погіршення інших експлуатаційних характеристик верстата;

проникнення агресивних речовин у порожнини різного виду мають якісно відмінний характер: для порожнин, що вентилюються, вони визначаються закономірностями конвективного масопереносу, а для щілин і зазорів - відповідає знайденим закономірностям молекулярної дифузії. Урахування знайдених закономірностей є необхідним при проектуванні верстатів тропічного виконання;

при тривалому транспортуванні в окремих вузлах верстата, які мають люфти та зазори, внаслідок вібраційних транспортних навантажень виникають інтенсивні нелінійні автоколивання, а також існування довготривалих автоколивань під дією зовнішніх випадкових динамічних навантажень створює умови, для виникнення особливого, раніше не відомого, динамічного режиму роботи вузлів (статистичний резонанс), який характеризується виникненням інтенсивних локальних багатоциклових ударних навантажень у деталях верстатів, що приводить до суттєвого зниження їхньої точності.

Практична цінність роботи

Обґрунтовано ряд заходів для підвищення точності верстатів та поліпшення умов для збереження деталей верстатного обладнання від корозій і забезпечення працездатності їх в умовах тропіків і субтропіків. Запропоновано практичні заходи по зниженню навантажень на вузли і деталі верстатів, що транспортуються на великі відстані, зокрема в держави з тропічним і субтропічним кліматом. Розроблені конструктивні рішення для вузлів малочутливих до вібраційних транспортних навантажень. Розроблено комплекс стендового обладнання для випробування верстатів, що призначені для роботи в умовах тропічного і субтропічного клімату. Обладнання призначене для випробування верстатів безпосередньо в цеху машинобудівного підприємства з імітацією реальних температуро-вологісних умов, запиленості та забрудненості повітря.

Реалізація роботи. Результати досліджень, рекомендації до конструктивних розробок запропоновано дослідникам, конструкторам металорізальних верстатів. Результати роботи рекомендовано в нормативно-технічну документацію КБ верстатобудівних заводів. Виконаний комплекс досліджень перевірено і частково впроваджено у 1990-1991 рр. на: Олександрійському науково-виробничому об'єднані "Етал" Кіровоградської області; Кіровоградському заводі "Гідросила"; Смілянському радіоприладному заводі "Орізон" та Кам'янському машинобудівному заводі Черкаської області з загальним річним економічним ефектом 6,8 млн. крб. в цінах 1991 року. Результати робіт було впроваджено в робочу програму для вищих навчальних закладів СРСР зі спецкурсу “Особливості експлуатації металорізального обладнання у специфічних умовах держав Азії, Африки і Латинської Америки”, яку автор зробив у 1988 році (вперше в СРСР). За впровадження конструктивних розробок, які експонувались на виставці досягнень народного господарства СРСР, автор нагороджений медаллю ВДНГ.

Апробація роботи. Основні положення і результати роботи одержали схвалення: на Міжнародній науково-технічній конференції "Прогресивна техніка і технологія машинобудування, приладобудування і зварювального виробництва" (Київ, 1998); на Міжнародній науково-практичній конференції "Автоматизація, проектування і виробництво виробів машинобудування" (Луганськ 1996); на регіональній науково-практичній конференції "Проблеми розробки, виробництва, експлуатації та ремонту підйомно-транспортних, будівельних та дорожніх машин" (Кіровоград, 1996); на ІІ, ІІІ та ІV науково-технічних конференціях Асоціації спеціалістів промислової гідравліки і пневматики (Київ, 1992, 1993, 1994) "Проектування, виробництво і експлуатація систем гідропневмопривода, гідропневмоавтоматики і гідромашин і їх комплектів"; на науково-технічній конференції "Вдосконалення і автоматизація виробничіх процесів гідравлічними і пневматичними пристроями" (Челябінськ, 1991); на наукових конференціях "Гідравлика, гідропневмопривод машин, автоматів і промислових роботів в машинобудуванні" (Севастополь, 1988, 1990) та конференції "Проектування і експлуатація гідравлічних систем і гідроприводів машин, автоматів і промислових роботів в ХІІ п'ятирічці" (Севастополь, 1987); на Всесоюзному науково-технічному семінарі "Шляхи підвищення чистоти робочої рідини" (Челябінськ, 1977).

Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано 25 робіт, в тому числі монографію, в якій одноосібно написано 9 розділів. Зроблено 18 доповідей на Міжнародних, Всесоюзних і республіканських конференціях, отримано 4 авторських свідоцтва

Структура та обсяг роботи. Дисертація складається із вступу, 7 розділів, загальних висновків, текстового матеріалу, викладеного на 455 стор., таблиць за текстом - 24, іллюстрацій - 149 (рисунків - 105, фотографій, виконаних автором - 44), літературних джерел - 230.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

В роботі сформульовано і детально обґрунтовано мету і задачі дослідження, методичне забезпечення досліджень, розглянуто стан розвитку верстатобудування у різних країнах і зроблено огляд літературних джерел. Верстатне обладнання, що експлуатується в державах з тропічним та субтропічним кліматом, в разі недостатнього виконання всіх необхідних технічних заходів має строк роботи в 2-5 разів менший від вказаного в паспортних даних. Це пояснюється, в першу чергу, порушенням регламентних умов експлуатації, а також вимог до доставки, установки і налагодження устаткування. В другу чергу, зниження строку експлуатації визначається складними кліматичними умовами зовнішнього середовища. Негативними кліматичними факторами являються висока температура і вологість повітря, що приводять до корозії деталей обладнання. Забрудненість атмосфери, наявність сольових та пилових часток у повітрі також сприяє корозії деталей.

Таким чином, вдосконалення верстатного обладнання, призначеного для експлуатації в умовах тропіків та субтропіків, потребує обов'язкового врахування температурних умов роботи вузлів і агрегатів верстатів, врахування наявності вологи і запорошеності в повітрі та аналізу впливу механічних факторів, таких як удари і вібрації .

Цим питанням стосовно верстатів присвячені дослідження вчених і спеціалістів різних установ і організацій. Зокрема ці дослідження виконано в ЕНІМС (Москва), ВНДІ Гідропривод (Харків). Встановлено, що в умовах тропічного і субтропічного клімату атмосферна корозія протікає при наявності на поверхні металу плівки вологи. При відносній вологості 50...75%, в результаті конденсації на поверхні металу з'являється тонка адсорбційна плівка (електроліт), через яку легко проникає кисень. У зв'язку з цим, корозія металу проходить дуже інтенсивно. Розглянуто в порівнянні швидкості корозії різних матеріалів, рівні забруднення в різних зонах земної кулі. Порівнюючи корозійну агресивність атмосфери в різних районах, необхідно враховувати, що ступінь корозії пропорційна кількості і часу знаходження вологи на поверхні металу. Кількість вологи залежить від річної та добової кількості опадів, а час знаходження на поверхні - від швидкості випаровування. Різниця опадів та випаровування різна у різних районах земної кулі і характеризує агресивність атмосфери з достатньою для практичних цілей достовірністю.

У результаті проведеного аналізу літературних джерел встановлено, що в сучасних умовах розвитку верстатобудівної промисловості України доцільно виконувати поетапну його модернізацію з орієнтацією на ринки держав, що розвиваються. Ці держави знаходяться в основному в умовах тропічного та субтропічного клімату. Тому дослідження, направлені на вдосконалення верстатного обладнання, призначеного для роботи у вказаних умовах, є актуальними і являють собою суттєву наукову проблему, що має важливе значення для верстатобудівної промисловості України.

В роботі розглянуто основні наукові проблеми, що зв'язані з роботою верстатного обладнання в державах з тропічним та субтропічним кліматом.

Для уточнення цих наукових проблем вивчався досвід провідних верстатобудівних фірм Німеччини, Франції, Італії, Швейцарії, США, Японії та інших з конструктивно-технологічних введень у верстатне обладнання для тропіків і субтропіків. Було проаналізовано понад 250 представників верстатного обладнання: токарного, свердлувального, шліфувального, фрезерного, протяжного, зубообробного, спеціального обладнання ведучих фірм Pittler, Traub, Steinel, EX-Cell-O, COMBinat, Gildemeister Knoll, Voumard, Gering, Guistina, Diskus Verke, Karl Klink, Elb Schliff, Peter Wolters, Thielenhaus, Shaudt, Hauser, Liebherr, Reishauer, Busch, Fritz Gekert, Anocut, Gehomat, Durr, Kuka, Мицуи Сэйки, W. Trowal, Ultrasons Annemass, Hagen & Gцbel, Hьller Hille та інших.

Для більш повного вивчення досвіду експлуатації верстатів в умовах тропічного клімату використовувались дані з різних джерел, зокрема: інформація відділів маркетингу інофірм при купівлі обладнання, результати аналізу технічної документації імпортного верстатного обладнання; свідчень, що одержані від технічного персоналу фірм (наладчиків, консультантів), аналізу конструктивних рішень вузлів, верстатів, патентів, "ноу-хау", натурних вимірювань та досліджень в умовах субтропічного клімату (в районах Грузії); досліджень у кліматичних камерах. Типове імпортне обладнання, призначене для експлуатації в тропіках і субтропіках, вивчалось на Кіровоградському заводі "Гідросила", Олександрійскому НПО "Етал", Смілянському радіоприладному заводі, Кам'янському машинобудівному заводі.

На основі вивчення досвіду іноземних фірм встановлено, що при виготовленні і транспортуванні верстатного обладнання необхідно враховувати такі негативні фактори: високу температуру і вологість повітря, засоленість і запиленість атмосфери, інтенсивну сонячну радіацію; складні умови транспортування з України на великі відстані обладнання, його збереження і монтаж; можливість порушення регламентних умов експлуатації, низьку кваліфікацію персоналу, відсутність досвіду роботи.

Для зниження впливу негативних факторів необхідно вжити спеціальні заходи для захисту від попадання вологи і пилу в порожнини верстата, зниженню навантажень при транспортуванні шляхом використання стопорів, фіксаторів, прокладок, використання демпферів транспортних навантажень, контейнерів з віброізоляцією, стабілізації термічного режиму верстатного обладнання, спеціальних систем охолодження, спецальної тари та упаковки, герметичних чохлів з селикогелем, упаковки типа "Кокон", захисту від корозії деталей верстатного обладнання.

В результаті проведених досліджень та аналізу досвіду вітчизняного й закордонного верстатобудування в роботі запропоновано комплекс робіт, які об'єднано для рішення двох комплексних проблем: жорстких температурно-вологісних умов, різних видів їхніх проявлень і захисту від них та вібрацій у динамічних системах верстатів, які мають місце при транспортуванні та експлуатації.

Для захисту верстатного обладнання від негативного впливу жорстких температурно-вологісних умов тропічного клімату як основної проблеми було проведено аналіз накопичення агресивних речовин у порожнинах верстатного обладнання.

Автоколивання мають місце під дією інерційних навантажень, виникаючих у зв'язку з коливаннями корпусних деталей верстатів. Умовами виникнення автоколивальних систем можуть бути: вільні маси з мінімальним тертям, наявність зовнішніх вібраційних навантажень. Як приклад на рис.1 показано схему проміжного вала кінематичного ланцюга, який здійснює крутильні коливання в межах зазорів зубчатого зачеплення в точках АВСD. Коливання виникають під дією переміщення корпусу ?0(t).

Центр мас важеля зміщено відносно осі обертання і знаходиться в точці А. При вібрації верстата на важіль діє інерційне навантаження Ри, зумовлене поступальним переміщенням верстата. Це навантаження приводить до виникнення крутного моменту, який діє на важіль. Таким чином, якщо проміжні вали мають ексцентриситет центра мас, то при коливаннях верстата на них діє нестаціонарне моментне навантаження, яке обумовлене інерційними силами. Динамічну модель проміжного вала, який має дисбаланс відносно осі обертання, показано на рис. 3, б.

Приводні вали коробок швидкостей і коробок подач звичайно мають пасовий або ланцюговий привід. При вібрації верстата в пасах або ланцюгах виникають інтенсивні інерційні навантаження (рис. 4, а,б). Інерційні сили створюють випадкові моментні навантаження на вал. Враховуючи, що паси і ланцюги мають власну масу і пружність, ці моментні навантаження діють на вал згідно схеми (рис. 4, в).

Динамічні моделі нелінійних автоколивальних систем мають збурюючими діями випадкові інерційні навантаження. Ці навантаження виникають як при транспортуванні, так і при роботі верстата.

Випадкові вібраційні та транспортні навантаження являють собою складні нестаціонарні випадкові функції, і повне врахування дії цих навантажень недоцільно з причини значної складності. Тому навантаження розглянуті як стаціонарні ергодичні випадкові процеси.

Кореляційні функції R(?) вібраційних прискорень, що мають місце при перевезенні верстатів морським транспортом, взято у вигляді залежності:Даній кореляційній функції відповідає спектральна щільність випадкового процесу, що визначається виразом

При перевезенні верстатного обладнання автомобільним транспортом спектральну щільність інерційних навантажень (коефіцієнт динамічності) прийнято у вигляді широкополосного випадкового процесу з двома резонансними піками (рис. 5)

Спектр інерційних навантажень має головний максимум (А) у низькочастотній області і локальний максимум (В) - у високочастотній. Для математичного опису транспортних навантажень використано залежність у вигляді суперпозиції правих частин формули (1) з різними значеннями параметрів D, ?,--?, які вибираються з умов найкращого наближення розрахункових і експериментальних залежностей.

В роботі проведено теоретичне узагальнення та аналіз ударних і вібраційних зусиль у вузлах та деталях обладнання, що виникають при його транспортуванні та експлуатації. Визначено класи елементів динамічної системи, які реагують на вплив вібраційних навантажень. Зокрема, це елементи з постійним механічним контактом, та елементи, що мають ступінь вільності в межах люфта. Для елементів з постійним контактом теоретичне узагальнення виконано на основі лінійної теорії статистичної динаміки механічних систем. Для цього складено диференційні рівняння коливань елемента під дією зовнішнього випадкового вібраційного прискорення. Для опису статистичних властивостей вібраційного прискорення його подано у вигляді стаціонарного ергодичного випадкового процесу із спектральною густиною

В результаті аналізу знайдено спектральні характеристики навантажень у точкових контактах між елементами динамічної системи. Вони мають вигляд залежності

Окремі приклади одержаних розрахункових спектрів навантажень у точках контакту наведено на рис. 6. Ці навантаження діють зокрема в підшипниках ковзання та кочення верстатного обладнання. На рис. 7. показано схему коливань шпинделя на гідростатичних опорах, що мають місце під дією транспортних навантажень.

Коливання у вертикальній площині (рис. 7, а), характеризуються високою жорсткістю контакту (точка С) і як правило не викликають суттєвих динамічних навантажень. Коливання у горизонтальній площині (рис. 7, б) характеризуються порівняно низькою жорсткістю контактної зони.

Встановлено, що у таких вузлах з низькою жорсткістю контакту має місце резонанс у діапазоні частот 50...200 Гц. При цьому навантаження в контакті характеризується коефіцієнтом динамічності 3...5, а число циклів навантаження за час транспортування обладнання морським транспортом може досягти 107 і вище.

Елементи динамічної системи верстата, що мають ступінь вільності в межах люфта під дією вібраційних навантажень, здійснюють нелінійні автоколивання випадкового характеру. Розглянуто окремі елементи динамічної системи, на які діє сукупність зовнішніх ударних навантажень випадкового характеру. Одну з загальних типових розрахункових динамічних моделей елемента показано на рис. 8.

Аналіз динамічної підсистеми виконано послідовно, етапами в порядку підвищення складності розгляду задачі. На першому етапі знайдено параметри вільних автоколивань елемента динамічної системи.

Одержано, зокрема, формули для розрахунку розмаху коливань та періоду коливань

На другому етапі розгляду нелінійних автоколивань здійснено аналіз вимушеного руху елемента під дією детермінованих імпульсних ударних навантажень. Розглянуто закономірності руху елемента під дією одного ізольованого імпульсу, а також серії (пакета) синфазних імпульсних навантажень.

Знайдено час руху та швидкість взаємодії елемента з упором.

Узагальненням досліджень другого етапу було приведення пакету імпульсів навантаження до одного еквівалентного імпульсу, що є основою для спрощення розрахункової динамічної моделі та приведення її до еквівалентної одномасової нелінійної динамічної моделі з випадковими імпульсними навантаженнями.

На третьому етапі аналізу нелінійних автоколивань вивчено дії випадкових імпульсних навантажень на елемент динамічної системи. Розглянуто випадкові коливання збурюючої маси, що здійснює імпульсні ударні навантаження на елемент динамічної системи верстата. Зокрема визначено кореляційну функцію швидкості ударної взаємодії маси з елементом.

Знайдену на основі цієї залежності кореляційну функцію інтерпретовано у вигляді випадкового процесу, схему якого показано на рис. 10.

З метою подальшого аналізу випадковий процес за типом рис. 10 трансформовано в наближений знакозмінний випадковий процес та розглянуто дію знакозмінних імпульсів сили на нелінійні автоколивання елемента. На рис. 11 показано типовий закон руху елемента динамічної системи верстата під дією випадкового імпульсного знакозмінного навантаження.

Динамічну систему досліджено шляхом заміни пакета випадкових імпульсів, що діють протягом півперіода коливань елемента одним еквівалентним імпульсом. Встановлено закономірності виникнення незатухаючих автоколивань під дією випадкових імпульсів навантажень. Виникнення незатухаючих автоколивань визначено як статистичний резонанс, тобто резонансні явища ймовірні під дією випадкових збурень елемента динамічної системи ударними імпульсними навантаженнями з боку інших елементів динамічної системи верстата.

Резонансні явища виникають, якщо зміна імпульсів відповідає 1-й, 2-й, 3-й чи подальшим подібним формам випадкового процесу зміни імпульсного навантаження .

Встановлено співвідношення параметрів динамічної системи, при яких мають місце резонансні явища. Воно має вигляд сукупності трансцендентних рівнянь, що охоплюють всі можливі форми випадкових змін імпульсу

На рисунку 12 подано типовий осцилографічний запис коливаннь проміжного вала коробки швидкостей верстата що має місце під дією вібрацій типа транспортних.

Розрахунки автоколивальних режимів відповідають експериментальним даним. Точність розрахунку сягає 5...15 %. При цьому значення амплітуд коливань складає 0,01...0,5 мм (5?...50?), а значення частот автоколивальних режимів 10...20; 40...80; 100...120; 180...220; 250...300 Гц в залежності від маси елемента. Експериментальні дослідження проведено з використанням джерела інтенсивних вібрацій у вигляді потужної гідропередачі аксіально-поршневого типу. Спектр віброакустичної дії мав полосу частот до 5000 Гц. Інтенсивність збурень регулювалась шляхом зміни тиску в гідропередачі в діапазоні 1...32 МПа та забезпеченням віброприскорення до 10 g.

Виконані дослідження впливу вібрацій (типа транспортних) на геометричну точність верстатів. В табл. 1 наведено одержані параметри точності для верстатів токарної групи.

З результатів досліджень випливає, що під дією довготривалих вібраційних навантажень (60-70 годин), що відповідає (1,0..5,0)106 циклів, має місце різке зниження точності. Це пояснюється збільшенням люфтів і зазорів, під впливом навантажень, що виникають під час резонансних автоколивальних режимів.

В роботі розглянуто закономірності термічних режимів роботи верстатного обладнання в умовах тропічного клімату. Шляхом експериментальних вимірів одержано залежності добових змін температури на різних промислових підприємствах різних країн, зокрема Індії, Анголи, Куби, а також Грузії та півдня України. Встановлено, що температура повітря характе-ризується різкими змінами протягом доби.

Для математичного опису зміни температури введено нормалізований розрахунковий закон добової зміни температури у вигляді трапецієподібної ламаної лінії (рис. 13). Нормалізований закон в подальшому подано у вигляді розкладу в ряд Фурь'є.

Температура повітря в цеху промислового підприємства має випадкові флуктуації і характеризується деяким діапазоном розбіжностей значень (рис. 14).

Шляхом статистичної обробки вимірів температур одержано гістограми флуктуації температури (рис.15), а також знайдено їхні статистичні характеристики. Закон розподілу випадкових флуктуацій температури можна вважати близьким до нормального, а кореляційну функцію - до виразу

На основі опису зовнішніх змін температури знайдено параметри температурного поля всередині верстата. В безпосередній близькості від стінок теплофізичні властивості верстата розраховано за моделлю теплопровідної півплощини, на межі якої температура змінюється за гармонічним законом. При цьому всередині верстата виникають температурні хвилі. Загальне значення температури одержане як суперпозиція рішень, що відповідають окремим гармонікам зовнішніх змін температури у формулі (2), і має вигляд

На основі виразу (3) запропоновано частотну форму запису різниці температур всередині і зовні верстата у вигляді

Частотні характеристики об'єднано введенням частотної трансформуючої функції (амплітудно-фазової частотної характеристики зміни температури), яка має вигляд

Типовий вигляд розрахункової частотної трансформуючої функції зміни температури, поданий на комплексній площині в координатах U=ReaeW(j?), V=ImW(j?) , показано на рис. 17.

Введення частотних характеристик для опису зміни температур дало змогу визначити як детерміновані, так і стохастичні зміни температури всередині верстата. Зокрема знайдено спектральну густину флуктуацій температури при випадкових змінах температури зовнішнього середовища:

Результати розрахунку температурного поля всередині верстата є основою для аналізу термічних деформацій окремих деталей і для визначення переміщень базових поверхонь, що впливають на точність верстату. Визначено зокрема відхилення геометричних осей шпинделя та інструмента при добових коливаннях температури. Вони відповідають температурному дрейфу показника точності в межах допуску (рис. 18.). Нестаціонарні температурні поля суттєвим чином впливають на показники точності верстата, що визначаються протяжними деталями. Зокрема, це прямолінійність напрямних каретки, паралельність напрямних, паралельність осей напрямних і пінолі та ін.

На рис. 19 показано зміну прямолінійності напрямних протягом доби. Найбільші значення непрямолінійності мають місце під час зміни температури і відповідають наявності нестаціонарно-температурного поля всередині верстата.

В роботі досліджено робочі процеси проникнення вологи, утворення конденсату і кумуляції агресивних розчинів у порожнинах верстатів.

Всі порожнини розподілено на ряд різнорідних груп, зокрема: замкнуті та відкриті порожнини, що сполучаються з атмосферою коротким отвором чи капілярним каналом. Для замкнутої порожнини, яка періодично відкривається, розглянуто закономірності конденсації вологи та накопичення агресивного водносолевого розчину. Конденсація відбувається внаслідок зміни температури.

На рис. 20 показано одержані графіки зміни маси агресивного розчину та водяної пари в порожнині протягом доби.

Зміна концентрації агресивного розчину відбувається під дією двох різнорідних процесів: випаровування та конденсації на поверхні. Визначено різницю масопереносу вологи з поверхні розчину у вигляді

Якщо вираз у правій частині формули (4) має знак "+", то концентрація солей в агресивному розчині збільшується. Загальна маса конденсату збільшується в результаті періодичного сполучення порожнини з атмосферою і визначається залежністю

Волога та забруднюючі частинки попадають у відкриті порожнини через отвори. Процеси масопереносу здійснюються двома різнорідними шляхами, а саме: за рахунок конвекції, як показано на рис. 21, а також за рахунок молекулярної дифузії (рис. 22).

У порожнинах, які сполучаються з атмосферою коротким отвором, конвективний масоперенос забруднень залежить від максимуму різниці температур навколишнього середовища і порожнини при мінімальній абсолютній температурі в останній, а саме:

На процеси конвективного переносу впливають також випадкові флуктуації температури. З урахуванням цього конвективний перенос маси забруднень із навколишнього простору в порожнину визначено у вигляді

Аналогічно визначено перенос забруднень за рахунок дифузії. Він залежить від різниці концентрацій по довжині отвору. Для знаходження дифузійного переносу забруднень одержано формулу

Далі розглянуто процеси попадання агресивних твердих та водно-солевих забруднень у порожнини верстатів, що мають вигляд капілярних щілин (рис. 23).

В цьому випадку перенос маси здійснюється в основному за рахунок молекулярної дифузії в щілині, тому для аналізу масопереносу розглянуто процес дифузій у щілині. В результаті вирішення рівняння дифузії визначено загальну масу забруднень, які попадають у щілину протягом доби,

Враховано також конвективний перенос маси в порожнину.

В роботі розглянуто негативні наслідки впливу тропічного та субтропічного клімату на роботу верстатного обладнання. Корозія деталей є основним негативним наслідком цього впливу і приводить зокрема до знижень точності верстатів. Механізми корозії якісно різні для вільно контактуючих з атмосферою поверхонь (атмосферна корозія) і різнорідних поверхонь деталей, контактуючих між собою. Корозія деталей верстатів досліджувалась в основному експериментальними методами. Розглянуто наслідки корозії для різних поверхонь деталей верстатів. Атмосферна корозія залежить в основному від матеріалу деталі, виду покриття та хімічного складу мастила, яке наноситься на поверхню деталі. Експериментальні дослідження атмосферної корозії проводились у тропічних районах Індії й субтропіках на верстатах і на зразках, що відповідають типовим деталям верстатів. На рис. 24 показано типову експериментальну залежність швидкості корозії легованої сталі у різних кліматичних зонах субтропіків.

Метеорологічні фактори вологого субтропічного клімату самі по собі не так корозійно активні, як фактор забруднення повітря. Результати дослідів дозволяють зробити висновок, що швидкість корозії вуглецевої легованої сталі в приморській зоні при наявності вологи залежить в основному від концентрації солей. Метеорологічні фактори в незабрудненій атмосфері мало впливають на швидкість корозії сталі. На швидкість корозії деталей верстатів за однакових метеорологічних умов підвищена солоність менше впливає на сталі внаслідок виникнення захисних плівок. Дослідження засоленості і забрудненості повітря в прибережній зоні району Батумі показала, що швидкість корозії зразків за сезонними циклами зв'язана не тільки з метеорологічними умовами, але й з величиною засоленості і, в основному, з величиною забрудненості повітря в різні пори року.

В тропічних і субтропічних районах спостерігається сильне руйнування матеріалів верстатного обладнання під дією пліснявих грибів, що утворюються під дією вологи і підвищеної температури повітря, а також пилу. При цьому різко зменшується точність обробки.

Спостереження показали, що чим менший параметр шорсткості поверхні деталі верстата, виготовленого з вуглецевої сталі, тим пізніше починає утворюватися пліснява.

Швидкість атмосферної корозії деталей верстатного обладнання, крім метеорологічних факторів, забруднень повітря і біофакторів, в значній мірі залежить від частоти порушення динамічної рівноваги між металом і середовищем. Матеріал деталей, що знаходиться в місцях частих змін умов зовнішнього середовища, за один і той же період часу підлягає руйнуванню у значно більшій мірі, ніж матеріал, що знаходиться в однорідних умовах. Тривалість знаходження електролітичної плівки на поверхні металу є одним із головних факторів, що сприяють атмосферній корозії.

Результати досліджень дають підставу зробити висновок, що процес атмосферної корозії поверхні деталі верстатного обладнання визначає метеорологічні дані не тільки окремих сезонів року, але й окремих періодів доби. Тому треба вважати, що всі поверхні верстатів, які експлуатуються в державах

з тропічним та субтропічним кліматом, знаходяться в агресивному середовищі, величина агресивності якого може змінюватися в 10 разів і більше. Тому всі зовнішні поверхні повинні бути виготовлені з корозійностійких матеріалів або мати захисні покриття. Поверхні повинні бути гладкими і не мати місць накопичення пилу та бруду. Висока твердість підвищує корозійну стійкість деталей верстатів.

У верстатному обладнанні має місце багато сполучень із різнорідних матеріалів. При сполученні двох або декількох різнорідних в електрохімічному відношенні металів, виникає контактна корозія. При контактній корозії важливу роль відіграють вторинні явища, що виявляються у зміні потенціалу контактних пар. Так, при контакті Ст.3 з легованою нержавіючою сталлю (Х18Н9Т) відбувається руйнування Ст.3 як анода, але разом із тим в міру накопичування продуктів корозії на нержавіючій сталі, доступ кисню утруднюється і остання підлягає руйнуванню. При цьому має велике значення щільовий ефект, а також накопичення агресивного конденсату.

В умовах морського і приморського вологого тропічного та субтропічного клімату контактна корозія більш небезпечна, ніж в інших, оскільки одночасно діють волога і морські солі, що посилюють інтенсивність електрохімічних процесів. У роботі наведено дані про швидкості контактної корозії при співвідношенні різних типових металів деталей верстатів, що проводилися протягом року. Корозія у щілинах і зазорах особливо небезпечна в приморській зоні вологих тропіків та субтропіків, де її продукти мають хлориди і сульфати, що сприяють подальшому руйнуванню металу. До цього додається також вплив продуктів життєдіяльності мікроорганізмів. Вони знижують рН і тим самим підсилюють процес руйнування металу в щілинах.

В результаті проведених експериментів встановлено, що корозія в щілинах між різнорідними металами набагато сильніша, ніж у щілинах з однорідного металу. Тому для захисту поверхні щілин між деталями верстатів необхідно використовувати конструктивні заходи і спеціальні покриття поверхні щілин, що запобігають утворенню агресивних конденсатів.

Корозійна стійкість деталей основних вузлів верстатів відрізняється від даних, які одержані для окремих металів. Це пояснюється складною конструкцією вузлів, наявністю в них замкнутих об'ємів, застійних зон, щілин і зазорів, зовнішніх і внутрішніх сполучень деталей, тощо. Тому, крім випробовувань окремих металів і покриттів, проведено дослідження окремих агрегатів і верстатів в цілому.

Для проведення подібних експериментів було оснащено стенди відкритого, напівзакритого і закритого типів, стенд підвищеної температури і вологості, навіси.

Випробування на корозійну стійкість виконувалось для верстатного обладнання, що має деталі з чавуну, сталі, алюмінію, міді, титану. Для створення агресивного середовища застосовувалась ванна з гарячим розчином NaCl (9 %), біля якої витримувались деталі верстатів з метою визначення їхньої корозійної стійкості.

Результати випробувань показали, що різні деталі з одного матеріалу кородують по-різному. Це пояснюється конфігурацією деталі, місцем розташування у вузлі і можливістю проникнення вологи і повітря в замкнуті об'єми, порожнини і кармани верстатного обладнання. Встановлено, що основним негативним фактором корозії є накопичення конденсату в порожнинах. З метою захисту поверхонь від корозії проводились випробування різних гальванічних покрить, пластичних мастил, гумо-технічних виробів, полімерів.

Корозія зовнішніх і внутрішніх поверхонь деталей верстатів негативно впливає на їхні експлуатаційні характеристики. Зокрема корозія приводить до значного зменшення точності верстатів. В результаті експериментальних досліджень встановлено, що швидкість зміни точності верстатів складає 30…50 % на рік від загального допустимого значення при нормальних умовах роботи верстата. Для умов експлуатації верстата в тропіках і субтропіках зниження точності сягає 150..300% на рік від загального допуску. В нормальних умовах для радіального биття зовнішньої базуючої поверхні шпинделя швидкість збільшення биття складає 1,6…2,8 мкм/рік при допустимому значенні 6 мкм. В кліматичній камері, що відповідає умовам тропіків, швидкість збільшення биття сягає 4,0..12 мкм/рік.

В табл. 2 наведені значення радіального биття конічного отвору шпинделя, яке має місце внаслідок корозії поверхні отвору.

В роботі науково обґрунтовано заходи по зниженню негативного впливу тропічного та субтропічного клімату на верстатне обладнання. Запропоновано стендове обладнання для перевірки і прискорених випробувань верстатів, що постачаються в держави з тропічним та субтропічним кліматом.

Розроблене стендове обладнання дає можливість здійснювати як тривалі випробування комплектних верстатів в режимах, близьких до натурних, так і швидкісні випробування верстатів за спеціальними методиками. Крім того, розроблене стендове обладнання дозволяє проводити випробування, експериментальне дослідження окремих вузлів і агрегатів верстатів з метою їхнього вдосконалення.

Для тривалих і швидкісних випробувань використано камеру з регульованою температурою при обладнанні її необхідним устаткуванням, що забезпечує відповідну вологість, засоленість та запиленість середовища. На рис. 25 показано принципову схему термокамери 1, в якій установлюється для випробування верстат 2. Також у ній встановлено устаткування 3, 4 для зволожування і забруднення середовища сольовими і пиловими домішками.

Камеру оснащено контрольно-вимірювальною апаратурою 5, 6, що довзволяє регулювати і заміряти рівень забруднення середовища. В камері при необхідності встановлюється джерело ультрафіолетового випромінювання 7, що імітує сонячну радіацію, яка діє на верстат у районах тропічного клімату.

Вологість повітря визначалась психрометром, конструкцію і принцип роботи якого подано в дисертаційній роботі. В ній також запропоновано спеціальні конструкції обладнання для зволоження водно-сольовими домішками деталей верстатів і для одержання водяного туману (рис. 26) та для створення пилових забруднень (рис. 27).

Випробування верстатів на вібраційні навантаження, що виникають при транспортуванні, проводились із використанням спеціальних стендів.

Для визначення характеристик спрацювання вузлів і деталей верстатного обладнання, що мають постійне рідке змащення пар тертя, розроблено і виготовлено спеціальний стенд прискорених випробувань. Прискорені випробування проводились шляхом введення в мастило (робочу рідину) забруднень у вигляді абразивних часток, а також води, сольових розчинів, різних домішок.

Негативний вплив жорстких кліматичних умов тропічного та субтрорпічного клімату можна значно знизити, використавши запропоновані конструктивні заходи по вдосконаленню вузлів і деталей верстатного обладнання (рис. 28).

Ці пропозиції рекомендовано до використання на верстатобудівних та ремонтних підприємствах.

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ І ВИСНОВКИ

1. На основі проведених теоретичних і експериментальних досліджень, вивчення досвіду передових іноземних фірм, які виробляють обладнання для країн з тропічним і субтропічним кліматом, розроблені теоретичні основи вдосконалення верстатного обладнання для експлуатації в жорстких умовах тропічного та субтропічного клімату, основна частина яких полягає в:

урахуванні найбільш несприятливого фактора впливу зовнішнього середовища, а саме, швидкості зміни температури, для чого пропонується універсальний нормалізований закон, в якому швидкість зміни температури має вигляд, наближений до прямокутного імпульсу, параметри якого одержані шляхом теоретичного узагальнення змін температурних умов різних країн;

використанні вперше запропонованого методу та методики розрахунку та оцінки випадкових флуктуацій температури всередині верстата залежно від його конструктивних особливостей;

урахуванні при конструюванні верстатів можливої наявності умов існування довготривалих автоколивань під дією зовнішніх динамічних навантажень, які визначають особливий, раніше невідомий динамічний режим роботи вузлів (статистистичний резонанс), який характеризується виникненням локальних стрибкових інтенсивних багатоциклових ударних навантажень у деталях верстатів.

2. На основі вивчення термічних процесів, які мають місце у верстатному обладнанні, що експлуатується в умовах тропіків та субтропіків, встановлено:

2.1. Крім регламентації максимальної температури та вологості роботи металорізального обладнання в умовах тропічного та субтропічного клімату, найбільш несприятливим фактором впливу зовнішнього середовища є швидка зміна температури, що впливає на показники якості верстатів. Температура зовнішнього середовища змінюється протягом доби за законами, що відзначаються великою різноманітністю в залежності від географічних, кліматичних та інших факторів. Для математичного опису детермінованої складової добової зміни температури доцільно застосувати універсальний нормалізований закон у вигляді наближеного до трапецієподібного імпульсу. Інтерпретація даного закону гармонічним рядом (відрізком ряду Фур'є) дає можливість урахувати якісні зміни температурного режиму при зміні температури вранці та ввечері.

2.2. В умовах тропіків та субтропіків наявні випадкові флуктуації температури зовнішнього середовища. Еспериментально знайдено закон розподілу ймовірностей флуктуацій температури, близький до нормального, причому середньоквадратичне відхилення флуктуацій температури складає 1... 3 К.

2.3. Складена загальна математична модель нестаціонарного температурного поля всередині верстата розглядає його у вигляді суперпозиції безкінечної кількості температурних хвиль. Для розрахунку параметрів температурних хвиль доцільно використати апарат частотних характеристик, параметри яких визначаються частотою зміни температури зовнішнього середовища та теплофізичними властивостями деталей верстата.

2.4. Розрахунок випадкових пульсацій температури виконано з використанням частотних характеристик. При цьому встановлено, що закон розподілу температур всередині верстата близький до нормального.

3. На базі вивчення робочих процесів проникнення і кумуляції водно-сольових та пилових частинок у порожнинах верстатного обладнання:

3.1. Знайдено:

3.1.1 закономірності детермінованих змін температури та статистичні характеристики флуктуацій температури в умовах тропіків та субтропіків і показано, що при різкій зміні температури протягом доби у порожнинах верстата виникають нестаціонарні стохастичні температуро-вологісні режими, які відповідають суперпозиції широкополосного спектра температурних хвиль та випадкових флуктуацій температури;

3.1.2. закономірності робочих процесів проникнення та кумуляції агресивних речовин у порожнини верстатів і доведено, що утворення й накопичення агресивних розчинів та конкрементів у щілинах і порожнинах верстата є вкрай небезпечним фактором, який приводить до різкого зниження надійності та точності роботи і погіршення експлуатаційних характеристик верстата;

3.2. Встановлено:

3.2.1. всі порожнини верстатів, небезпечні з точки зору накопичення конденсату, можуть бути розділені на три групи, а саме: обмежені, замкнені порожнини, що періодично сполучаються з атмосферою, відкриті порожнини, які сполучаються з атмосферою отвором з короткою горловиною та порожнини у вигляді щілин, які з'єднуються з атмосферою капілярним каналом.

3.2.2. проникнення агресивних речовин в порожнини різного виду мають якісно відмінний характер: для порожнин, що вентилюються, вони визначаються закономірностями конвективного масопереносу, а для щілин і зазорів проникнення агресивних речовин відповідає знайденим закономірностям молекулярної дифузії;

3.2.3. у порожнинах верстатів має місце випадання конденсату та накопичення агресивних розчинів та інших забруднень. На поверхні конденсату наявні процеси випаровування та конденсації вологи. В залежності від умов можливе збільшення об'єму конденсату або його випаровування з випаданням солей на поверхню деталей верстата.

3.2.4. Перенос забруднень у порожнину здійснюється внаслідок процесів дифузії і конвекції, причому в порожнинах з коротким отвором переважають процеси конвекції, а у щілинах - дифузії.

4. В результаті виконаного теоретичного узагальнення та аналізу дії вібрацій типу транспортних на вузли і деталі верстатного обладнання встановлено:

4.1. В динамічних системах верстатів при тривалому транспортуванні в окремих вузлах, які мають люфти та зазори, під дією вібраційних транспортних навантажень виникають інтенсивні нелінійні автоколивання, які супроводжуються виникненням довготривалих неперервних випадкових навантажень у контактах між деталями, причому число циклів навантажень сягає 107 і вище при частотах зміни навантаження 50...200 Гц.

4.2. Проміжні вали коробок швидкостей та інші люфтові з'єднання кінематичних ланцюгів верстатів під дією вібрацій здійснюють нелінійні автоколивання, які супроводжуються ударними навантаженнями випадкового характеру. Автоколивання виникають під дією синфазних імпульсів сили чи пакетів імпульсів і відповідають особливому режиму роботи вузлів (статистичний резонанс).

4.3. Випадкові імпульси навантаження доцільно описати математично знакозмінним випадковим процесом з кореляційною функцією, що відповідає монотонно спадній залежності експоненціального типу.

4.4. Під дією періодичних випадкових імпульсів виникають резонансні режими коливань (статистичний резонанс), які характеризуються амплітудами коливань 0,01...0,5 мм (5`...50`). Значення частот коливань відповідають полосам 10...20; 40...80; 100...120; 180...220; 250 ... 300 Гц.

4.5. Порівняння розрахунків автоколивальних режимів з експериментальними даними підтвердило точність розрахунків амплітуди в межах 5...15 %, а частоти - 5...10 %. Частоти й амплітуди коливань у резонансному режимі можуть плавно змінюватися, причому зміна частоти може сягати 50 %, а різниця амплітуд автоколивань знаходиться в межах 15 %.

4.6. В результаті довготривалого існування резонансних режимів має місце різке (в 2..3 рази) зниження точності верстатного обладнання.

5. В результаті вивчення впливу негативних факторів тропічного клімату на роботу верстатного обладнання встановлено:

5.1. Швидкість корозії окремих деталей верстатів, в тому числі, щільової корозії, яка в перші 100 діб у 5-10 разів вища, ніж у подальшому.

5.2. Руйнування покриттів та поверхні металу відбувається в місцях, де накопичуються агресивні розчини. Там також спостерігається інтенсивна біологічна корозія.

5.3. Щільова корозія є основною причиною зниження точності верстатного обладнання в умовах тропічного і субтропічного клімату.

6. За результатами досліджень науково обґрунтовано рекомендації по зниженню негативного впливу тропічного клімату на роботу верстатного обладнання.

6.1. Розроблено стендове обладнання та спеціальні пристрої для випробувань верстатного обладнання відповідно екстремальних умов тропічного та субтропічного клімату.

6.2. Запропоновано конструктивні пропозиції та схемні вирішення окремих вузлів і агрегатів верстатів, які знижують вплив жорстких кліматичних умов на роботу верстатного обладнання, підвищують його точність і надійність.